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.Механическое движение и его относительность. Уравнения прямолинейного равномерного и равноускоренного движения. Средняя скорость за время пути.
Механическое движение тела- изменение его положения в пространстве относительно других тел. Основная задача механики- определять положение тела в любой момент времени.
Материальная точка- тело, размерами которого в данных условиях движения можно пренебречь. Тело можно принять за материальную точку, если размеры тела во много раз меньше расстояния, которое оно проходит, и если движение тела поступательное.
Движение тела, при котором все его точки движутся одинаково (то есть тело не вращается и не поворачивается), называется поступательным.
Система отсчета.
Положение тела можно задать только относительно какого-нибудь другого тела, которое называют телом отсчета. Его можно выбирать произвольно. Когда тело отсчета уже выбрано, через какую-нибудь его точку проводят оси координат, и положение любого объекта в пространстве описывают ее координатами. Система отсчета: тело отсчета, система координат, связанная с ним, и прибор для измерения времени.
Траектория - линия, описываемая телом при движении.
Перемещение - направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела с его последующим. Проекции вектора перемещения на оси координат равны изменениям координат тела.
Путь - скалярная величина, равная расстоянию от начального пункта движения до конечного, измеренному вдоль траектории.
Скорость - векторная величина, и над ней можно производить действия сложения. Если движение происходит относительно двух систем координат (неподвижной и подвижной), то скорость тела относительно неподвижной системы координат равна геометрической сумме скорости тела относительно подвижной системы координат и скорости подвижной системы координат относительно неподвижной.
Ускорение- это скорость изменения скорости. Оно равно отношению изменения скорости тела к промежутку времени, за которое это перемещение произошло.
Положение каждого тела в пространстве всегда рассматривается относительно других тел.
Тело может находиться в состоянии покоя относительно одного тела и одновременно - в состоянии движения относительно другого тела.
Например, человек, сидящий в кресле летящего самолета, находится в состоянии покоя относительно самолета, но одновременно - в состоянии движения относительно земли. И "виноваты" в этом разные системы отсчета! В этом и состоит относительность движения.
Относительность движения проявляется и в том, что скорость, траектория, пройденный путь и некоторые другие характеристики движения относительны, т. е. они могут быть различны в разных системах отсчета.
Прямолинейное равномерное и равноускоренное движение.
Равномерное прямолинейное движение - движение, при котором тело (точка) за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения. При таком движении не изменяется ни модуль, ни направление скорости. VX =(x-x0)/t; x=x0+VXt. Равноускоренное движение- движение с равномерно изменяющейся скоростью, то есть с постоянным по модулю ускорением. Ускорение - векторная величина, равная отношению изменения скорости тела к промежутку времени, за который это перемещение произошло.
В СИ ускорение выражается в метрах в секунду за секунду или в метрах на секунду в квадрате(м/с2)
Движение с возрастающей по модулю скоростью называют равноускоренным, с убывающей - равнозамедленным.
ax=(Vx-V0x)/t; Vx=V0x+ax t.
Зависимости скорости, координат и пути от времеи.
Равномерное прямолинейное движение: Vx=(x-x0)/t; x=x0+Vx·t; Sx=x-x0.
Прямолинейное равнопеременное движение: зависимости скорости, координат и пути от времени.
Vx=V0x+ax t; x=x0+V0xt+ax t2/2; Sx=(V2-V02)/2a, Sx=V0xt+a xt2/2
Средняя путевая скорость — это отношение длины пути, пройденного телом, ко времени, за которое этот путь был пройден:
Средняя путевая скорость, в отличие от мгновенной скорости не является векторной величиной.
2. Конденсаторы. Электроемкость конденсатора. Применение конденсаторов.
ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ - характеризует способность двух проводников накапливать электрический заряд.
- не зависит от заряда и напряжения;
- зависит от геометрических размеров проводников, их формы, взаимного расположения, электрических свойств среды между проводниками.
Единицы измерения в СИ: ( Ф - фарад )
КОНДЕНСАТОРЫ - электротехническое устройство, накапливающее заряд
( два проводника, разделенных слоем диэлектрика ).
d много меньше размеров проводника.
Обозначение на электрических схемах:
Все электрическое поле сосредоточено внутри конденсатора.
Заряд конденсатора - это абсолютное значение заряда одной из обкладок конденсатора.
Виды конденсаторов.
1. По виду диэлектрика: воздушные, слюдяные, керамические, электролитические.
2. По форме обкладок: плоские, сферические.
3. По величине емкости: постоянные, переменные (подстроечные).
Электроемкость плоского конденсатора
где S - площадь пластины (обкладки) конденсатора;
d - расстояние между пластинами;
ε0 - электрическая постоянная;
ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика.
Включение конденсаторов в электрическую цепь:
параллельное
последовательное
Тогда общая электроемкость (С):
при параллельном включении
.
при последовательном включении
ЭНЕРГИЯ ЗАРЯЖЕННОГО КОНДЕНСАТОРА
Конденсатор - это система заряженных тел и обладает энергией.
Энергия любого конденсатора:
где С - емкость конденсатора
q - заряд конденсатора
U - напряжение на обкладках конденсатора
Энергия конденсатора равна работе, которую совершит электрическое поле при сближении пластин конденсатора вплотную,
или равна работе по разделению положительных и отрицательных зарядов , необходимой при зарядке конденсатора.
Билет № 2
1.Равномерное движение по окружности.
Движение тела по окружности- криволинейное, при нем изменяется две координаты и направление движения. Мгновенная скорость тела в любой точке криволинейной траектории направлена по касательной к траектории в этой точке. Движение по любой криволинейной траектории можно представить как движение по дугам некоторых окружностей. Равномерное движение по окружности- движение с ускорением, хотя по модулю скорость не изменяется. Равномерное движение по окружности- периодическое движение.
Линейная и угловая скорости.
Линейная скорость- величина, измеряемая отношением длины дуги окружности ко времени, за которое эта дуга пройдена. Она направлена в любой момент времени по касательной к окружности, в данной ее точке. v=2π·R/T. Угловая скорость- величина, измеряемая отношением угла поворота тела ко времени, за которое произошел этот поворот. ω=2π/Т
Связь линейной и угловой скоростей v=ω·R.
Период и частота обращения.
Период обращения- величина, равная промежутку времени, за который тело совершило полный оборот при равномерном движении по окружности. v=2πR/T. Частота обращения- число оборотов по окружности в единицу времени. υ=1/T.
Ускорение при равномерном движении тела по окружности.
Ускорение тела центростремительно, то есть направлено по радиусу окружности к ее центру. Модуль ускорения зависит от квадрата скорости тела и от радиуса соответствующей окружности. a=V²/r или a=ω²·r
2. Электрический ток. Электрическим током называется упорядоченное движение электрических зарядов. За направление электрического тока принято направление движения положительных зарядов.
Электрические заряды могут двигаться упорядоченно под действием электрического поля. Поэтому достаточным условием для существования электрического тока является наличие электрического поля и свободных носителей электрического заряда.
Электрическое поле может быть создано, например, двумя разноименно заряженными телами. Соединяя проводником разноименно заряженные тела, можно получить электрический ток, протекающий в течение короткого интервала времени.
Отношение заряда , переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени , к этому интервалу времени называется силой тока I:
.
Если сила тока со временем не изменяется, электрический ток называют постоянным током.
Источники постоянного тока. Для того чтобы в проводнике существовал электрический ток длительное время, необходимо поддерживать неизменными условия, при которых возникает электрический ток.
Из точки А в точку В электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Перемещение их из точки В в точку А будет происходить в направлении против сил электрического поля. Такое перемещение заряда может осуществляться только под действием сил неэлектростатической природы, действующих в устройствах, называемых источниками постоянного тока.
Сторонние силы. Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе раздела электрод — электролит. В машине постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца.
Закон Ома для участка цепи. Немецкий физик Георг Ом (1787—1854) в 1826 г. обнаружил, что отношение напряжения U между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока I в цепи есть величина постоянная:
. (43.1)
Эту величину R называют электрическим сопротивлением проводника.
Единица электрического сопротивления в СИ — ом (Ом). Электрическим сопротивлением 1 Ом обладает такой участок цепи, на котором при силе тока 1 А напряжение равно 1 В:
.
Опыт показывает, что электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади S поперечного сечения:
. (43.2)
Постоянный для данного вещества параметр называется удельным электрическим сопротивлением вещества.
Экспериментально установленную зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R участка цепи называют законом Ома для участка цепи:
. (43.3)
Сила тока I прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению R участка цепи.
Электродвижущая сила. Полная работа сил электростатического поля при движении зарядов по замкнутой цепи постоянного тока равна нулю. Следовательно, вся работа электрического тока в замкнутой электрической цепи оказывается совершенной за счет действия сторонних сил, вызывающих разделение зарядов внутри источника и поддерживающих постоянное напряжение на выходе источника тока. Отношение работы , совершаемой сторонними силами по перемещению заряда q вдоль цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей силой источника (ЭДС) :
, (43.15)
где — переносимый заряд.
Электродвижущая сила выражается в тех же единицах, что и напряжение или разность потенциалов, т. е. в вольтах.
Закон Ома для полной цепи: Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника тока и обратно пропорциональна сумме электрических сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.
или .
Билет № 3
1. Первый закон Ньютона.
Существуют такие системы отсчёта, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела(или действия других компенсируются)
Всякое тело продолжает оставаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока приложенные силы не заставят его изменить это состояние. Само явление сохранения скорости постоянной называется инерцией.
Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции.
Понятие об инерциальных и неинерциальных системах отсчета.
Инерциальная система отсчета- система, в которой всякое тело бесконечно удалено от других тел и не испытывает ускорения. Она должна быть условно неподвижной или движущейся равномерно и прямолинейно. Неинерциальная система отсчета- система отсчета, которая движется ускоренно относительно какой-то другой, инерциальной системы.
2.
|
Электрический ток в газах |
|
|
|
1. Газы в обычных условиях—диэлектрики. Воздух используют в технике как изолятор: а) в линиях электропередач; б) между обкладками воздушных конденсаторов; в) в контактах выключателей. |
|
|
|
2. При определенных условиях газы — проводники: молния, электрическая искра, дуга при сварке. Процесс протекания тока через газ называетсягазовым разрядом. Свободные заряды (ионы обоих знаков и электроны) возникают в газах только в процессе ионизации. |
||
|
Ионизация газов Ионизацию вызывают: 1. Высокая температура. 2. Ультрафиолетовые лучи. 3. Рентгеновские лучи, γ - лучи и т. п. |
||
|
Рекомбинация. Вследствие рекомбинации для поддержания длительного тока необходима постоянная ионизация. |
||
|
Несамостоятельный и самостоятельный разряды 1. Несамостоятельный разряд происходит под действием внешнего ионизатора. 2. Самостоятельный разряд - разряд, происходящий без действия внешнего ионизатора (электронным ударом). Напряжение, при котором возникает самостоятельный разряд, наз. напряжением пробоя (потенциал ионизации). |
||
|
Типы самостоятельного разряда. Техническое применение |
|
|
|
1. Тлеющий разряд. Применяется в газосветных трубках, неоновых лампах, цифровых индикаторах, лампах дневного света, ртутных лампах низкого давления. |
||
|
2. Дуговой разряд. Применяется в ртутных лампах высокого давления, источниках света, при сварке металлов, в электроплавильных печах, при электролизе расплавов, в электропечах. |
|
|
|
3. Коронный разряд Высокая напряженность. Используют в электрофильтрах для очистки газов от примесей твердых частиц. Применяется в счетчиках заряженных частиц Гейгера-Мюллера. Громоотвод. Отрицательное явление: вызывает утечку энергии на высоковольтных линиях. |
||
|
4. Искровой разряд Высокое напряжение. Применяется при обработке металлов. Молния: U=108 В, I=105 А, продолжительность 10-6 с, диаметр канала 10 - 20 см. |
||
|
Плазма Частично или полностью ионизованный газ называется плазмой. Наиболее распространенное состояние вещества в природе: 1. Низкотемпературная плазма: Т<105 К. 2. Высокотемпературная плазма: Г>105 К. Можно наблюдать: пламя костра, рекламные газовые трубки, медицинские кварцевые лампы. Большое значение: получение термоядерной реакции. |
Билет № 4
1. Масса. Сила. Второй закон Ньютона. Принцип суперпозиции сил.
Действие одного тела на другое, вызывающее ускорение, называется силой. Сила – это причина изменения скорости движения. Различные опыты показывают, что если на разные тела действуют одна и та же сила, то величина, равная произведению массы тела на его ускорение, остаётся одной и той же. Это и позволило Ньютону сформулировать важнейший закон движения, называемый 2 законом Ньютона.
Второй закон Ньютона – основной закон динамики. Этот закон выполняется только в инерциальных системах отсчета. Приступая к формулировке второго закона, следует вспомнить, что в динамике вводятся две новые физические величины – масса тела m и сила а также способы их измерения. Первая из этих величин – масса m – является количественной характеристикой инертных свойств тела. Она показывает, как тело реагирует на внешнее воздействие. Вторая – сила – является количественной мерой действия одного тела на другое.
Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение. Это и есть второй закон Ньютона. F = m·a
Он позволяет вычислить ускорение тела, если известна его масса m и действующая на тело сила : ускорение, сообщенное телу, прямо пропорционально силе, действующей на тело, и обратно пропорционально массе тела. a=F/m
В Международной системе (СИ) за единицу силы принимается сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2. Эта единица называется ньютоном (Н). Ее принимают в СИ за эталон силы.
Если на тело одновременно действуют несколько сил , то под силой в формуле, выражающей второй закон Ньютона, нужно понимать равнодействующую всех сил. Сила, равная геометрической сумме всех приложенных к телу сил называется результирующей силой.
Сложение сил. Силы складываются по правилу сложения векторов (следствие опыта). Сила, равная геометрической сумме всех приложенных к телу сил, называется равнодействующей или результирующей.
2. Электрический ток в электролитах.
Электролитами являются растворы солей, кислот и щелочей. Заряженные частицы образуются в результате электролитической диссоциации. Молекулы растворяемых веществ распадаются на ионы. В отсутствии внешнего электрического поля все частицы находятся в хаотическом тепловом движении. Если ионы находятся во внешнем поле, то начинается их упорядоченное движение двумя встречными потоками: положительные ионы устремляются к катоду, отрицательные- к аноду. Суммарный ток через раствор складывается из обоих потоков.
Закон электролиза (закон Фарадея).
Явление электролиза сопровождает прохождение эл.тока через жидкость;
Электролиз - это выделение на электродах веществ, входящих в электролиты.
Положительно заряженные анионы под действием электрического поля стремятся к отрицательному катоду, а отрицательно заряженные катионы - к положительному аноду.
На аноде отрицательные ионы отдают лишние электроны ( окислительная реакция )
На катоде положительные ионы получают недостающие электроны ( восстановительная реакция ).
Первый закон Фарадея: масса вещества, выделившегося при электролизе, пропорциональна суммарному заряду всех ионов, прошедших через электролит. m=kq=kIt, где k- электрохимический эквивалент вещества.
Второй закон Фарадея устанавливает связь между химическим и электрохимическим эквивалентами вещества: k=M/(F·Z), где M- молярная масса вещества, Z- валентность вещества, F- постоянная Фарадея. F=9,65 ·104 Кл/моль.
Применение электролиза
-получение чистых металлов (очистка от примесей);
-гальваностегия, т.е. получение покрытий на металле ( никелирование, хромирование и т.д. );
-гальванопластика, т.е. получение отслаиваемых покрытий ( рельефных копий).
В основе принципа действия различных типов аккумуляторов лежит явление электролиза
Аккумулятор – прибор для накопления электрической энергии с целью её дальнейшего использования.
Аккумулятор можно изготовить аналогично гальваническому элементу, использовав для этой цели две свинцовые пластины, погруженные в раствор содержащий одну часть серной кислоты на пять частей воды. Для зарядки аккумулятора соединяют последовательно два таких элемента и амперметр и пропускают через них ток.
Как только через аккумулятор начинает идти ток, возле катода возникают пузырьки водорода. На аноде, как следовало ожидать, освобождается кислород.
Однако его выделением дело не ограничивается. Пластина анода постепенно приобретает темно-коричневый цвет вследствие образования на ее поверхности перекиси свинца (PbO2) за счет того, что некоторое количество кислорода соединяется химически с материалом пластины. При образовании PbO2 ток зарядки падает, указывая на возрастание сопротивления аккумулятора. Когда аккумулятор зарядится полностью, присоединяемый к нему вольтметр покажет напряжение несколько более 2 вольт.
В сущности, процесс зарядки состоит в том, что две одинаковые вначале пластиныаккумулятора вследствие электролиза становятся разными; одна из них, по-прежнему остаётся свинцовой (-), а материал другой превращается в перекись свинца (+).
Билет № 5
1. ТРЕТИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА
В природе никогда не бывает одностороннего действия одного тела на другое, между телами всегда возникает взаимодействие.
Взаимодействие между телами может происходить как при соприкосновении, так и без соприкосновения тел.
В результате изучения взаимодействия тел, Ньютон открыл третий закон динамики:
Силы, с которыми два тела действуют друг на друга, всегда равны по величине и противоположны по направлению.
Одна из этих сил называется действующей, а другая - противодействующей.
Третий закон Ньютона: тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и противоположными по направлению.
Эти силы:
- действуют вдоль одной прямой;
- направлены в противоположные стороны;
- равны по величине;
- приложены к разным телам, поэтому не уравновешивают друг друга;
- одинаковой природы.
Природа сил: в механике различают 2 вида сил: силы тяготения и электромагнитные силы ( силы упругости и силы трения).
При взаимодействии тела приобретают ускорения.
Третий закон Ньютона объясняет, как вообще возникает сила. Согласно этому закону, сила возникает при взаимодействии тел. При этом на каждое из взаимодействующих тел действует сила, и каждое получает ускорение.
2. Полупроводники.
Полупроводники – это вещества, сопротивление которых зависит от температуры и освещенности.
Чтобы понять свойства полупроводников, необходимо разобраться в их строении. Рассмотрим природу связей, удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга на примере кристалла кремния. Кремний – четырехвалентный элемент, следовательно, во внешней оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парноэлектронной (ковалентной) связи. В образовании этой связи от каждого атома участвуют по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Коллективизированная пара электронов не принадлежит лишь двум атомам. Каждый атом образует четыре связи с соседними, и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего, он может перейти к следующему атому, а затем дальше вдоль всего кристалла. Валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Аналогичное строение имеют другие полупроводниковые кристаллы, например германий.
Электропроводность, собственная проводимость полупроводников.
Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает существенного влияния на их движение.
При нагревании кремния кинетическая энергия валентных электронов повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают связи и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образую электрический ток. Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеличивается. Это приводит к уменьшению сопротивления.
При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с другими, нормальными, связями. Положение дырки в кристалле не фиксировано. Непрерывно происходит процесс перескакивания электронов, образующих связь атомов, на место дырок, восстанавливая связь, и образуя дырку на исходном месте. Таким образом дырка может перемещаться по всему кристаллу. Если электрического поля в кристалле нет, то перемещение дырок происходит беспорядочно, электрический ток не создается. Если же возникает электрическое поле, то возникает упорядоченное движение дырок, и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток, связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно движению электронов. Проводимость полупроводников, обусловленную наличием дырок, называют дырочной проводимостью. Мы рассмотрели механизм проводимости идеальных полупроводников. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников.
Примесная проводимость полупроводников.
Собственная проводимость полупроводников обычно невелика из-за малого числа свободных электронов. Но проводимость полупроводников очень сильно зависит от примесей. Именно это свойство сделало проводники тем, чем они являются в современной технике. При наличие примесей в полупроводнике наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная – примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменить число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.
Донорные примеси
При добавлении в полупроводник атомов пятивалентных элементов, например мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во много раз. Четыре валентные электрона участвуют в создании ковалентной связи, а пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называются донорными примесями. Поскольку полупроводники, обладающие донорными примесями имеют большее число электронов (по сравнению с числом дырок), их называют полупроводниками nтипа.
В полупроводнике nтипа электроны являются основными носителями заряда, а дырки –неосновными.
Акцепторные примеси
Если в качестве примеси использовать трехвалентный элемент, например индий, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования ковалентных связей атому индия не хватает электрона. В результате образуется дырка. Такого рода примеси называют акцепторными. При наличии электрического поля дырки начинают перемещаться, возникает дырочная проводимость. Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называют полупроводниками p-типа.
Основными носителями заряда в полупроводнике p-типа являются дырки, а неосновными – электроны.
Электрический ток через контакт полупроводников p- и n-типов
Наиболее важные свойства полупроводников происходят при контакте полупроводников n- и p-типов. Рассмотрим полупроводник, одна часть которого содержит донорные примеси, и поэтому является полупроводником n-типа, а другая – акцепторные примеси и представляет собой полупроводник p-типа. При включении полупроводника с p-n переходом в электрическую цепь так, чтобы потенциал полупроводника p-типа был положительным, а n-типа – отрицательным. При этом ток через p-n переход будет осуществляться основными носителями: из области n в область p – электронами, а из области p в область n – дырками. Следовательно, проводимость проводника велика. Такой переход называют прямым. Если переключить полюсы батареи, то переход через контакт будет осуществляться неосновными зарядами. Следовательно, проводимость будет маленькой. Такой переход называют обратным. Т.о. р-n-переход обладает односторонней проводимостью. Это свойство используется в полупроводниковом диоде для выпрямления переменного тока.
Полупроводниковый диод.
Полупроводниковый диод- прибор, в котором используется один p-n переход. Бывает точечным и плоскостным.
Билет № 6
Импульс материальной точки- величина, равная произведению массы тела на его скорость. p=mV. Вектор импульса тела направлен так же, как вектор скорости.
Импульс силы – это величина,равная произведению силы на время её воздействия.
Направление его вектора всегда совпадает с направлением вектора приложенной силы.
i =F·t- импульс силы.
Связь между приращением импульса материальной точки и импульсом силы. Импульс силы равен изменению импульса тела. F·t=mV-mV0
Закон сохранения импульса.
Геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы. Замкнутая система тел- совокупность тел, взаимодействующих между собой, но не взаимодействующих с другими телами.
Реактивное движение- движение, которое возникает, когда от тела отделяется и движется с некоторой скоростью какая-то его часть. Типичным примером реактивного движения может служить движение ракет. Пример – движение ракет. В головной части ракеты помещается полезный груз. В следующей части находится запас топлива и различные системы управления. Топливо подаётся в камеру сгорания, где оно сгорает и превращается в газ высокой t и высокого давления. Через реактивные сопла газ вырывается наружу и образует реактивную струю. Газ – это и есть отделяющаяся часть ракеты. Перед стартом ракеты её импульс относительно Земли = 0. Вырывающийся газ получает некоторый импульс. Ракета представляет собой замкнутую систему, и общий её импульс должен оставаться = 0. Поэтому ракета получает импульс, равный по модулю импульсу газа, но противоположен по направлению. mг Vг - m р Vр = 0
2. Магнитное поле.
В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее (рис. 27). В том же году французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течет по ним в одном направлении, и отталкивание, если токи текут в разных направлениях (рис. 28). Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием. Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим образом: всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле — особый вид материи, который возникает в пространстве вокруг любого переменного электрического поля. Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами и электрическими токами.
Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В). Магнитная индукция — это векторная физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. В = F/I·L. Единичный элемент тока — это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является 1Тесла. 1 Тл = 1 Н/А • м .
Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии индукции, — это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление силовых линий находится по правилу правой руки или по правилу буравчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий. Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 29).
На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера. Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока I, длине проводника L в магнитном поле и перпендикулярной составляющей вектора магнитной индукции B. Это и есть формулировка закона Ампера, который записывается так: Fa = I·L·В· sin α. Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца показывали направление тока, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 30).
Сила Лоренца
- сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся электрически заряженную частицу.
где q - заряд частицы;
V - скорость заряда;
B - индукции магнитного поля;
α- угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции.
Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки:
Если поставить левую руку так, чтобы перпендикулярная скорости составляющая вектора индукции входила в ладонь, а четыре пальца были бы расположены по направлению скорости движения положительного заряда (или против направления скорости отрицательного заряда), то отогнутый большой палец укажет направление силы Лоренца
.
Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости заряда, то она не совершает работы (т.е. не изменяет величину скорости заряда и его кинетическую энергию).
Если заряженная частица движется параллельно силовым линиям магнитного поля, то Fл = 0 , и заряд в магнитном поле движется равномерно и прямолинейно.
Если заряженная частица движется перпендикулярно силовым линиям магнитного поля, то сила Лоренца является центростремительной и создает центростремительное ускорение.
В этом случае частица движется по окружности.
Согласно второму закону Ньютона: сила Лоренца равно произведению массы частицы на центростремительное ускорение.
Тогда радиус окружности,
а период обращения заряда в магнитном поле
Билет № 7
|
Закон всемирного тяготения |
|
Закон всемирного тяготения был сформулирован Исааком Ньютоном (1643-1727) и опубликован в 1687 году. В соответствии с этим законом, два тела притягиваются друг к другу с силой, которая прямо пропорциональна массам этих тел m1 и m2 и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: Здесь r − расстояние между центрами масс данных тел, G − гравитационная постоянная, значение которой составляет . |
Гравитационная постоянная и способы ее измерения.
Гравитационная постоянная - коэффициент пропорциональности, одинаковый для всех тел. Она численно равна силе притяжения двух тел массой 1 кг каждое при расстоянии между ними 1 м.
Сила тяжести. Частным видом силы всемирного тяготения является сила притяжения тел к Земле (или к другой планете). Эту силу называют силой тяжести. Под действием этой силы все тела приобретают ускорение свободного падения. В соответствии со вторым законом Ньютона , следовательно, . Сила тяжести всегда направлена к центру Земли. В зависимости от высоты над поверхностью Земли и географической широты положения тела ускорение свободного падения приобретает различные значения. На поверхности Земли и в средних широтах ускорение свободного падения равно 9,81м/с².
Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору или подвес в результате гравитационного притяжения к планете . Вес тела обозначается Р. Единица веса — ньютон (Н). Так как вес равен силе, с которой тело действует на опору, то в соответствии с третьим законом Ньютона по величине вес тела равен силе реакции опоры. Поэтому, чтобы найти вес тела, необходимо определить, чему равна сила реакции опоры. Если тело находится в покое или движется равномерно прямолинейно, то вес тела равен силе тяжести, действующей на тело: Р = m·g
При движении вертикально вверх с ускорением вес тела увеличивается и находится по формуле .
Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой. Действие перегрузки испытывают на себе космонавты, как при взлете космической ракеты, так и при торможении корабля при входе в плотные слои атмосферы. Испытывают перегрузки и летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, и водители автомобилей при резком торможении.
Если тело движется вниз по вертикали, то вес тела определяется по формуле, т. е. вес при движении по вертикали с ускорением будет меньше силы тяжести.
Если тело свободно падает, то в этом случае вес равен нулю.
Состояние тела, в котором его вес равен нулю, называют невесомостью. Состояние невесомости наблюдается в самолете или космическом корабле при движении с ускорением свободного падения независимо от направления и значения скорости их движения. За пределами земной атмосферы при выключении реактивных двигателей на космический корабль действует только сила всемирного тяготения. Под действием этой силы космический корабль и все тела, находящиеся в нем, движутся с одинаковым ускорением, поэтому в корабле наблюдается состояние невесомости.
2. Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля. Принцип работы генераторов тока и трансформаторов. Применение генераторов и трансформаторов на ж/д транспорте.
Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 г. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного поля и и утри замкнутого проводящего контура в нем возникнет 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. 23). Если радом 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. 24). Объяснение этого явления было дано Максвеллом. Любое переменное магнитное иоле всегда порождает переменное электрическое поле.
Для количественной характеристики процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур вводится физическая величина — магнитный поток. Магнитным потокомчерез замкнутый контур площадью (рис. 25) называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь контура и на косинус угла между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к площади контура: .
Опытным путем был установлен основной закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через контур: . Если рассматривать катушку, содержащую n витков, то формула основного закона электромагнитной индукции будет выглядеть так: .
Единица магнитного потока Ф — вебер (Вб): 1 Вб = 1 В • с.
Из основного закона 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 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. В соответствии с правилом Ленца в законе электромагнитной индукции должен стоять знак минус:
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. 26). 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.
Принцип работы индукционных генераторов переменного тока и трансформаторов основан на явлении электромагнитной индукции. На мощных тепловозах получили применение тяговые генераторы переменного тока с выпрямительными установками для питания постоянным током тяговых электродвигателей.
Путевые и релейные однофазные трансформаторы с естественным охлаждением применяют в рельсовых цепях и других устройствах железнодорожной автоматики. Сигнальные однофазные трансформаторы с естественным охлаждением применяют для электропитания ламп светофоров. Этим трансформаторы подключаются к питающей сети частотой 50 Гц.
Билет № 8
1. Сила упругости. Природа сил упругости. Виды упругих деформаций. Закон Гука.
Виды деформаций.
Деформацией называют изменение формы, размеров или объема тела. Деформация может быть вызвана действием на тело приложенных к нему внешних сил.
Деформации, полностью исчезающие после прекращения действия на тело внешних сил, называют упругими, а деформации, сохраняющиеся и после того, как внешние силы перестали действовать на тело, - пластическими.
Различают деформации растяжения или сжатия (одностороннего или всестороннего), изгиба, кручения и сдвига.
Сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение, называется силой упругости.
Сила упругости имеет электромагнитную природу.
Закон Гука: при упругих деформациях сила упругости прямо пропорциональна абсолютному удлинению тела.
Fупр = kΔl
Fупр – сила упругости; k – коэффициент пропорциональности, называемый жесткостью; Δl – удлинение тела (изменение его длины).
Пояснения:
Возьмем резиновый шнур. Один конец его закрепим в штативе. Первоначальная длина шнура была l0. Если к свободному концу шнура подвесить гирю, то шнур удлинится. Его длина станет равной l. Обозначим удлинение шнура символом Δl (дельта эль). Тогда удлинение шнура можно найти так:
Δl = l – l0.
Если менять гирьки, то в зависимости от их веса будет меняться и длина шнура, а значит, его удлинение (деформация).
Закон Гука справедлив только для упругой деформации.
Деформация является упругой, если после прекращения действия сил, деформирующих тело, оно возвращается в исходное положение.
2. .Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания. Затухание свободных колебаний. Формула Томсона.
Электромагнитные колебания — это колебания электрического и магнитного полей, которые сопровождаются периодическим изменением заряда, силы тока и напряжения. Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать свободные электромагнитные колебания, является колебательный контур. Колебательный контур — это цепь, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (рис. 29, а). Если конденсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по катушке потечет ток (рис. 29, б). Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоиндукции в катушке. Индукционный ток, в соответствии с правилом Ленца, будет иметь то же направление и перезарядит конденсатор (рис. 29, в). Процесс будет повторяться (рис. 29, г) по аналогии с колебаниями маятниками. Таким образом, в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора () в энергию магнитного поля катушки с током (), и наоборот. Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре (т. е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томсона . Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью .
В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания будут затухающими из-за потерь энергии на нагревание проводов. Для практического применения важно получить незатухающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять электроэнергией, чтобы скомпенсировать потери энергии.
Билет № 9
1. Сила трения. Природа сил трения .Коэффициент силы трения скольжения. Трение покоя. Использование силы трения покоя для создания силы тяги на автосцепке локомотива.
В земных условиях трение всегда сопутствуют любому движению тел. При всех видах механического движения одни тела соприкасаются либо с другими телами, либо с окружающей их сплошной жидкой или газообразной средой. Такое соприкосновение всегда оказывает большое влияние на движение. Возникает сила трения, направленная противоположно движению.
Существует несколько видов трения:
Сухое трение возникает при движении твердых соприкасающихся тел относительно друг друга.
Вязкое (иначе жидкое) трение возникает при движении твёрдых тел в жидкой или газообразной среде, или когда жидкость или газ текут мимо неподвижных твёрдых тел.
Трение покоя возникает, когда к телу прикладывают силу, пытающуюся сдвинуть это тело.
Причинами возникновения силы трения являются: неровность соприкасающихся поверхностей и взаимное притяжение молекул соприкасающихся тел.
Способы уменьшения силы трения:
шлифовка трущихся поверхностей, применение смазки и замена трения скольжения трением качения.
Силы трения имеют электромагнитную природу.
Сила трения зависит от рода соприкасающих поверхностей и от величины нагрузки.
Сила трения скольжения не зависит от площади соприкасающихся тел.
Единица измерения силы трения в СИ (как и любой другой силы) - 1 Ньютон.
Сила трения качения, которая во много раз меньше силы трения скольжения. Во многих случаях оно оказывается раз в 50 больше трения качения!
Основной характеристикой трения является коэффициент трения , который определяется материалами, из которых изготовлены поверхности взаимодействующих тел.
В простейших случаях сила трения и реакция опоры N связаны формулой Fтр.=µ·N
Трение всегда тормозит движение; на преодоление трения всех видов расходуется громадное количество ценного топлива.
Трение вызывает износ трущихся поверхностей.
Свободные электромагнитные колебания в реальном колебательном контуре всегда затухающие. Для того чтобы они были незатухающими, нужно создать устройство, с помощью которого компенсировались бы потери энергии при каждом полном колебании в контуре. Широко применимы так называемые автоколебания — незатухающие колебания, поддерживаемые в системе за счет постоянного внешнего источника энергии, причем сама система управляет им, обеспечивая согласованность поступления энергии определенными порциями в нужный момент времени.
Любая автоколебательная система состоит из следующих четырех частей (рис. 1): 1) колебательная система; 2) источник энергии, за счет которого компенсируются потери; 3) клапан — некоторый элемент, регулирующий поступление энергии в колебательную систему определенными порциями в нужный момент; 4) обратная связь — управление работой клапана за счет процессов в самой колебательной системе.
Рис. 1
Генератор на транзисторе — пример автоколебательной системы. На рисунке 2 приведена упрощенная схема такого генератора, в котором роль "клапана" играет транзистор. Колебательный контур подключен к источнику тока последовательно с транзистором. Эмиттерный переход транзистора через катушку Lсв индуктивно связан с колебательным контуром. Эту катушку называют катушкой обратной связи.
Рис. 2
1. Источник энергии, за счет которого поддерживаются незатухающие колебания (в генераторе на транзисторе это источник постоянного напряжения).
2. Колебательная система — та часть автоколебательной системы, непосредственно в которой происходят колебания (в генераторе на транзисторе это колебательный контур).
3. Устройство, регулирующее поступление энергии от источника в колебательную систему, — клапан (в рассмотренном генераторе роль клапана выполняет транзистор).
4. Устройство, обеспечивающее обратную связь, с помощью которой колебательная система управляет клапаном (в генераторе на транзисторе предусмотрена индуктивная связь катушки контура с катушкой в цепи эмиттер — база).
В генераторе на транзисторе вырабатываются незатухающие колебания различных частот. Без таких систем не было бы ни современной радиосвязи, ни телевидения, ни ЭВМ.
Билет № 10
1.Статика изучает условия равновесия тел.
Устойчивое равновесие. Если тело вывести из устойчивого равновесия, то появляется сила, возвращающая его в положение равновесия. Устойчивому равновесию соответствует минимальное значение потенциальной энергии
Неустойчивое равновесие. Если тело вывести из неустойчивого равновесия, то возникает сила, удаляющая тело от положения равновесия. Неустойчивому равновесию соответствует максимальное значение потенциальной энергии .
Безразличное равновесие. При выведении тела из состояния безразличного равновесия дополнительных сил не возникает. Пример: шар на плоскости.
Момент силы. Правило моментов
Момент силы М (Н· м) – физическая величина, модуль которой равен произведению модуля силы на плечо силы
М = F· d.
Плечо силы d (M) – кратчайшее расстояние между осью вращения и линией действия силы. Т.е. из точки вращения опускается перпендикуляр на линию действия силы. При необходимости линию продлить.
Знаки моментов. Если сила вызывает вращение тела по часовой стрелке, то такой момент считают положительным:
Если сила вызывает вращение тела против часовой стрелки, в таком случае момент отрицательный.
Тело находится в равновесии при выполнении сразу двух условий.
Или: сумма моментов сил, вызывающих вращение тела по часовой стрелке, равна сумме моментов сил, вызывающих вращение тела против часовой стрелки:
Простые механизмы – приспособления, служащие для преобразования силы. К ним относятся ворот, наклонная плоскость, рычаг, клин и блоки.
«Золотое правило механики». При использовании простых механизмов мы выигрываем в силе, но проигрываем в расстоянии (или наоборот - например, катапульта). Выигрыша в работе простые механизмы не дают, т.к. это противоречило бы закону сохранения энергии.
Механический вечный двигатель, производящий энергию из ничего, невозможен.
Центр тяжести тела – точка, относительно которой момент сил тяжести всех точек тела равен нулю. В случае однородного поля силы тяжести центр тяжести совпадает с центром масс).
2. Переменный ток. Сопротивления в цепи переменного тока.
Вынужденные электромагнитные колебания в электрической цепи представляют собой переменный электрический ток.
Наибольшее распространение получил гармонический переменный ток, представляющий собой вынужденные электрические колебания, происходящие в цепях под действием напряжения, гармонически меняющегося с частотой ω по закону синуса или косинуса:
u=Um⋅sinωt или u=Um⋅cosωt ,
где u – мгновенное значение напряжения, Um – амплитуда напряжения, ω – циклическая частота колебаний. Если напряжение меняется с частотой ω, то и сила тока в цепи будет меняться с той же частотой, но колебания силы тока не обязательно должны совпадать по фазе с колебаниями напряжения. Поэтому в общем случае
i=Im⋅sin(ωt+φ) ,
где φ – разность (сдвиг) фаз между колебаниями силы тока и напряжения. Принцип получения переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции — индуцировании электродвижущей силы в прямоугольном контуре (проволочной рамке), находящейся в однородном вращающемся магнитном поле.
Переменный ток обеспечивает работу электрических двигателей в станках на заводах и фабриках, приводит в действие осветительные приборы в наших квартирах и на улице, холодильники и пылесосы, отопительные приборы и т.п. Частота колебаний напряжения в сети равна 50 Гц. Такую же частоту колебаний имеет и сила переменного тока. Это означает, что на протяжении 1 с ток 50 раз поменяет свое направление. Частота 50 Гц принята для промышленного тока во многих странах мира. В США частота промышленного тока 60 Гц.
Виды сопротивлений в цепях переменного электрического тока.
В переменном электрическом токе элементы цепи обладают 2 видами сопротивлений: активным и реактивным.
При каждом виде сопротивления энергия электрического тока преобразуется в другие виды энергий.
Сопротивление называется активным, если энергия электрического тока преобразуется в виде теплоты.
Сопротивление называется реактивным, если энергия тока преобразуется на образование электромагнитного поля.
Известно 2 вида реактивного сопротивления.
Индуктивное сопротивление - это сопротивление, возникающее в результате явления самоиндукции.
Индуктивное сопротивление
Где ω - циклическая частота тока,
L - индуктивность.
Емкостное сопротивление - это сопротивление, которое оказывает переменному току конденсатор.
Основными частями генератора являются (рис. 1):
Рис. 1
Неподвижная часть генератора называется статором, а подвижная — ротором. В зависимости от конструкции генератора его якорь может быть как ротором, так и статором. При получении переменных токов большой мощности якорь обычно делают неподвижным, чтобы упростить схему передачи тока в промышленную сеть.
Мощные генераторы вырабатывают напряжение 15-20 кВ и обладают КПД 97-98 %.
Принцип действия
Принцип действия генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции.
Пусть проводящая рамка площадью S вращается с угловой скоростью ω вокруг оси, расположенной в ее плоскости перпендикулярно однородному магнитному полю индукцией B⃗ (см. рис. 1).
При равномерном вращении рамки угол α между направлениями вектора индукции магнитного поля B⃗ и нормали к плоскости рамки n⃗ меняется со временем по линейному закону. Если в момент времени t = 0 угол α0 = 0 (см. рис. 1), то
α=ω⋅t=2π⋅ν⋅t,
где ω — угловая скорость вращения рамки, ν — частота ее вращения.
В этом случае магнитный поток, пронизывающий рамку будет изменяться следующим образом
Φ(t)=B⋅S⋅cosα=B⋅S⋅cosω⋅t.
Тогда согласно закону Фарадея индуцируется ЭДС индукции
e=−Φ′(t)=B⋅S⋅ω⋅sinω⋅t=Em⋅sinω⋅t.
Подчеркнем, что ток в цепи проходит в одном направлении в течение полуоборота рамки, а затем меняет направление на противоположное, которое также остается неизменным в течение следующего полуоборота.
Действующие значения силы тока и напряжения
Обозначается буквой I.
Обозначается буквой U.
В контактной сети электрифицированных ж. д. используется постоянный электрический ток напряжением 3 кВ или переменный однофазный ток промышленной частоты напряжением 25 кВ.
При питании переменным током усложняется конструкция подвижного состава, но значительно упрощаются устройства энергоснабжения электрических железных дорог, увеличивается расстояние между тяговыми подстанциями при тех же потерях до 50 км (20—25 км при постоянном токе), снижается стоимость строительства контактной сети до 10%, в 2,5 раза меньше расход меди.
Билет № 11
Если действующая на тело сила F вызывает его перемещение s, то действие этой силы характеризуется величиной, называемой механической работой (или, сокращенно, просто работой).
Механической работой А называют скалярную величину, равную произведению модуля силы F, действующей на тело, и модуля перемещения s, совершаемого телом в направлении действия этой силы, т. е.
А=Fs. (3.9)
В случае, описываемом формулой (3.9), направление перемещения тела совпадает с направлением силы. Однако чаще встречаются случаи, когда сила и перемещение составляют между собой угол, не равный нулю или α. (рис. 30)
А=Fsсоsα. (3.10)
Таким образом, в общем случае механическая работа равна произведению модуля силы и модуля перемещения на косинус угла между направлениями силы и перемещения. Работа силы, направленной вдоль перемещения тела, положительна, а силы, направленной против перемещения тела, - отрицательна. По формулам (3.9) и (3.10) вычисляют работу постоянной силы. Единицу механической работы устанавливают из формулы (3.9). В СИ за единицу работы принята работа силы 1 Н при перемещении точки ее приложения на 1 м. Эта единица имеет наименование джоуль (Дж):
1 Дж = 1Н·1м.
Мощность- это величина, характеризующая быстроту совершения работы. Мощностью N называют величину, равную отношению работы А к промежутку времени t, в течение которого эта работа была совершена:
N=A/t (3.11)
Из формулы (3.11) следует, что в СИ единицей мощности является 1 Дж/с (джоуль в секунду). Эту единицу иначе называют ватт (Вт), 1 Вт= 1 Дж/с.
Связь между мощностью и скоростью при равномерном движении найдем, подставив (3.10) в (3.11):
N=Fvcosα.
(Эта формула справедлива и для переменного движения, если под N понимать мгновенную мощность, а под V - мгновенную скорость). Если направление силы совпадает с направлением перемещения, то cosα=1 и N=F·v. Из последней формулы следует, что
F=N/v и v=N/F.
Из этих формул видно, что при постоянной мощности двигателя скорость движения обратно пропорциональна силе тяги и наоборот. На этом основан принцип действия коробки скоростей (коробки перемены передач) различных транспортных средств.
Механическая энергия. Ее виды.
Если тело может совершить механическую работу, то оно обладает механической энергией Е (Дж). Либо, если внешняя сила совершает работу, воздействуя на тело, его энергия изменяется.
Сучествует два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная.
Кинетическая энергия – энергия движущихся тел:
где v (м/с) – модуль скорости, m – масса тела.
Потенциальная энергия – энергия взаимодействующих тел.
Примеры потенциальной энергии в механике.
Тело поднято над землей: Е = mgh
где h – высота, определяемая от нулевого уровня (или от нижней точки траектории). Форма траектории не важна, имеет значения только начальная и конечная высота.
Упруго деформированное тело. Деформация, определяемая от положения недеформированного тела (пружины, шнура и т.п.).
Потенциальная энергия упругих тел: , где k – жёсткость пружины; х – её деформация.
Энергия может передаваться от одних тел к другим, а также превращаться из одного вида в другой.
- Полная механическая энергия.
Закон сохранения энергии: в замкнутой системе тел полная энергия не изменяется при любых взаимодействиях внутри этой системы тел.
|
Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и сил упругости, остается неизменной.
2. Трансформатор. Принцип действия. Устройство. Коэффициент трансформации. Передача электроэнергии.
Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется с помощью трансформаторов.
Трансформатор- устройство, применяемое для повышения или понижения напряжения переменного тока.
Впервые трансформаторы были использованы в 1878г. русским ученым П.Н.Яблочковым для питания изобретенных им «электрических свечей»- нового в то время источника света.
Простейший трансформатор представляет собой две катушки. Намотанные на общий стальной сердечник. Одна катушка подключается к источнику переменного напряжения . Эта катушка называется первичной обмоткой), а с другой катушки ( называемой вторичной обмоткой) снимают переменное напряжение для дальнейшей его передачи.
Переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле. Благодаря стальному сердечнику вторичную обмотку, намотанную на тот же сердечник, пронизывает практически такое же переменное поле, что и первичную.
Поскольку все витки пронизываются одним и тем же переменным магнитным потоком, вследствие явления электромагнитной индукции в каждом витке генерируется одно и то же напряжение. Поэтому отношение напряжений 𝑈1 и 𝑈2 первичной и вторичной обмотках равно отношению числа витков в них:
Изменение напряжения трансформатором характеризует коэффициент трансформации
Коэффициент трансформации - величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора:
K=
Повышающий трансформатор- трансформатор, увеличивающий напряжение ( У повышающего трансформатора число витков во вторичной обмотке должно быть больше числа витков в первичной обмотке, т.е. к<1.
Понижающий трансформатор – трансформатор, уменьшающий напряжение ( У понижающего трансформатора число витков во вторичной обмотке должно быть меньше числа витков в первичной обмотке, т. е к>1.
Передача электрической энергии от электростанций до больших городов или промышленных центров на расстояния тысяч километров является сложной научно-технической проблемой. Для уменьшения потерь на нагревания проводов необходимо уменьшить силу тока в линии передачи, и, следовательно, увеличить напряжение. Обычно линии электропередачи строятся в расчете на напряжение 400–500 кВ, при этом в линиях используется трехфазный ток частотой 50 Гц.
Билет № 12
Формулировка закона Паскаля
Давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку одинаково во всех направлениях. Это утверждение объясняется подвижностью частиц жидкостей и газов во всех направлениях.
На основе закона Паскаля гидростатики работают различные гидравлические устройства: тормозные системы, прессы и др.
Закон Архимеда — это закон статики жидкостей и газов, согласно которому на тело, погруженное в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила (сила Архимеда), равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа).
FA = ρgV,
где ρ — плотность жидкости (газа),
g — ускорение свободного падения,
V — объем погруженного тела (или объем той части тела, которую погрузили в жидкость (или газ)).
Архимедова сила направлена всегда противоположно силе тяжести. Она равна нулю, если погруженное в жидкость тело плотно, всем основанием прижато ко дну.
Следует помнить, что в состоянии невесомости закон Архимеда не работает.
Fт — сила тяжести, FА — сила Архимеда.
Fт = FА — тело плавает в жидкости или газе,
Fт > FА — тело тонет,
Fт < FА — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
ρt — плотность тела, ρs — плотность среды, в которую погрузили тело.
ρt = ρs — тело плавает в жидкости или газе,
ρt > ρs — тело тонет,
ρt < ρs — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать.
2) Электромагнитное поле. Электромагнитные волны и их свойства. Открытие электромагнитных волн.
Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами.
|
По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического молей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве . Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.
Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, по расчетам Максвелла, должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.
Впервые опытным путем получил электромагнитные волны немецкий физик Генрих Герц, использовав при этом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны — это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.
Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн. Они подчиняются закону отражения волн: угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред, равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к спорости электромагнитных волн во второй среде, и называется показателем преломления второй среды относительно первой.
Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные полны способны к интерференции. Интерференция — это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах — гасят. (Когерентные волны — это водны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.
При распространении электромагнитной волны векторы напряженности и магнитной индукции перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис. 31).Т.о. электромагнитная волна является поперечной.
Билет № 13
1. Механические колебания: основные характеристики гармонических колебаний; уравнение гармонических колебаний; свободные и вынужденные колебания; резонанс. Превращения энергии при гармонических колебаниях.
Колебание- движение, при котором тело (материальная точка) поочередно смещается то в одну, то в другую сторону. Условия, необходимые для наличия колебаний:
1)наличие возвращающей силы, возникшей в системе в результате выведения ее из положения равновесия;
2)отсутствие трения в системе (или очень мало);
3)система должна обладать инертностью.
Силу, под действием которой происходит колебательный процесс, называют возвращающей силой.
Колебания делятся также на периодические и непериодические
Простейшим видом периодических колебаний являются гармонические колебания, происходящие по закону синуса или косинуса.
Гармоническая колебательная система (система тел, совершающих колебания) обычно имеет одно положение, в котором может пребывать сколь угодно долго – положение равновесия О.
Отклонения от положения равновесия называют смещением, и обозначается Х, а наибольшее смещение (точки В или С) называется амплитудой колебания и обозначается А.
Периодические колебания совершаются циклично. Движение в течение одного цикла (когда тело, пройдя все промежуточные положения, возвращается в исходное) называется полным колебанием (О-С-О-В-О). Время одного полного колебания называется периодом колебания (обозначается Т).
Число колебаний в единицу времени называется частотой колебаний.
Число колебаний за 2π единиц времени называется циклической (круговой) частотой и обозначается ω:
График гармонических колебаний:
Математическая запись гармонических колебаний:
где – фаза колебания (физическая величина, определяющая положение колебательной системы в данный момент времени),
φ0 – начальная фаза колебания.
При гармонических колебаниях скорость и ускорение тела также могут изменятся по закону синуса или косинуса.
Простейшими колебательными системами являются:
а) математический маятник – материальная точка, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити и совершающая колебания под действием силы тяжести.
Период колебания определяется уравнением:
.
Период Т зависит лишь от длины маятника и местоположения (удалённости от центра Земли или другого небесного тела), которое определяется величиной ускорения свободного падения ;
б) пружинный маятник – материальная точка, закреплённая на абсолютно упругой пружине.
Период колебания определяется уравнением:
,
где m – масса материальной точки,
к – коэффициент упругости пружины.
Характерной особенностью колебательного движения является периодическое превращение кинетической энергии тела в потенциальную и обратно.
2. Принципы радиосвязи: амплитудная модуляция и детектирование. Развитие средств связи. Радиолокация. Радиосвязь на ж/д транспорте.
Ток высокой частоты создает в антенне электромагнитную волну, которая распространяется в пространстве. Электромагнитная волна, достигнув, приемную антенну
создает в ней ток такой же частоты, которую излучил передатчик.
Генератор незатухающих колебаний, изобретенный в 1913году, позволил осуществлять надежную и качественную радиотелефонную связь на большие расстояния.
Радиотелефонная связь.
В микрофоне колебания воздуха в звуковой волне превращаются в электрические колебания такой же формы.
К сожалению, такие колебания нельзя передавать на большие расстояния. Электромагнитные волны низкой (звуковой ) частоты не излучаются.
Модуляция.
Чтобы передавать звуковые волны, необходимо высокочастотные колебания менять с помощью электрических колебаний звуковой частоты. Изменение высокочастотных колебаний, выработанных генератором, в соответствии с электрическими колебаниями звуковой частоты называется модуляцией. Изменять можно амплитуду высокочастотных колебаний – это амплитудная модуляция.
На рисунке мы видим три графика: а) график несущей частоты – колебания высокой частоты;
б) график электрических колебаний низкой частоты – модулирующие колебания; в) график колебаний модулированных по амплитуде – радиоволна.
Ни телевидение, ни телеграф, ни телефон, ни радио не работают, если высокочастотную волну не модулировать. Это необходимый процесс, который происходит в высокочастотной колебательной системе.
Иногда применяют частотную модуляцию, при которой происходит изменение частоты колебаний в соответствии с управляющим сигналом.
Детектирование.
Процесс выделения из модулированных колебаний высокой частоты низкочастотных колебаний называется детектированием.
Модулированный сигнал не вызывает колебания звуковой частоты громкоговорителя или мембраны телефона. Выделение низкочастотного колебания из модулированного сигнала осуществляется устройством с односторонней проводимостью – детектором. Это может быть полупроводниковый диод или вакуумный диод.
Если последовательно с источником модулированных колебаний и резистором включить полупроводниковый диод, то ток будет течь в одном направлении. Этот ток будет пульсирующим.
С помощью фильтра (конденсатора с резистором) пульсации тока сглаживаются. Когда на диод попадает ток, то часть его идет на нагрузку, а часть на конденсатор, заряжая его. Разделение тока уменьшает пульсации тока , который идет через резистор. Когда диод не пропускает ток, конденсатор разряжается через нагрузку. Новый импульс подзаряжает конденсатор. Через резистор течет ток звуковой частоты, который подается на мембрану громкоговорителя.
Мембрана передает колебания диффузору, а он и мы слышим речь, музыку.
Простейший радиоприемник.
Основные части: антенна, колебательный контур, связанный с антенной, контур цепи, в который входят детектор, конденсатор, телефон.
Билет № 14
1. Механические волны. Распространение колебаний в упругой среде. Поперечные и продольные волны .Характеристики волны. Звуковые волны. Громкость и высота звука.
ВОЛНЫ
Волны могут быть разной природы: механические, электромагнитные и т.д.
Мы будем рассматривать механические волны.
МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ
Волна- это колебания, распространяющиеся в пространстве в течение времени.
Механические волны могут распространяться только в какой- нибудь среде (веществе): в газе, в жидкости, в твердом теле. В вакууме механическая волна возникнуть не может.
Источником волн являются колеблющиеся тела, которые создают в окружающем пространстве деформацию среды.
Для возникновения волны нужна деформация (наличие Fупр) среды.
Для распространения волны нужна упругая среда.
Бегущая волна - волна, где происходит перенос энергии без переноса вещества.
Бегущая упругая волна- волна, где есть перенос энергии и возникает F упругости в среде распространения.
Среди механических волн мы будем рассматривать бегущие упругие волны.
Механические волны делятся на:
а) продольные
- колебания среды происходят вдоль направления распространения волн,
при этом возникают области сжатия и разрежения среды.
- возникают в любой среде (жидкости, в газах, в тв. телах).
б) поперечные
-колебания среды происходят перпендикулярно направлению их распространения,
при этом происходит сдвиг слоев среды.
- возникают только в твердых телах.
При распространении волны происходит перенос энергии без переноса вещества.
Скорость, с которой распространяется возмущение в упругой среде, называют скоростью волны. Она определяется упругими свойствами среды. Расстояние, на которое распространяется волна за время, равное периоду колебаний в ней (Т), называется длиной волны λ (ламбда).
Звуковые волны — это продольные механические волны, вызывающие слуховые ощущения. Диапазон слышимых частот от 16 до 20000 Гц. Скорость звука в различных средах разная, в твердых телах и жидкостях она значительно больше, чем в воздухе. Громкость звука зависит от амплитуды колебаний, а высота звука определяется частотой колебаний.
На границе сред с упругими свойствами звуковая волна отражается. С явлением отражения звука связано эхо. Это явление состоит в том, что звук от источника доходит до какого-то препятствия, отражается от него и возвращается к месту, где он возник, через промежуток времени не менее 1/15 с. Через такой интервал времени человеческое ухо способно воспринимать раздельно следующие один за другим звуки.
2. Световые волны. Скорость света. Интерференция света. Цвета тонких плёнок.
Свет — это электромагнитные волны в интервале частот , воспринимаемых человеческим глазом, т. е. длин волн в интервале 380 - 770 нм.
Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде скорость убывает.
Интерференция волн – это явление наложения когерентных волн.
Свойственно волнам любой природы (механическим, электромагнитным и т.д.
Когерентные волны - это волны, испускаемые источниками, имеющими одинаковую частоту и постоянную разность фаз.
При наложении когерентных волн в какой-либо точке пространства амплитуда колебаний этой точки будет зависеть от разности расстояний от источников до рассматриваемой точки. Эта разность расстояний называется разностью хода.
При наложении когерентных волн возможны два предельных случая:
Условие максимума:
Разность хода волн равна целому числу длин волн ( иначе четному числу длин полуволн).
,где
В этом случае волны в рассматриваемой точке приходят с одинаковыми фазами и усиливают друг друга – амплитуда колебаний этой точки максимальна и равна удвоенной амплитуде.
Условие минимума:
Разность хода волн равна нечетному числу длин полуволн.
,где
Волны приходят в рассматриваемую точку в противофазе и гасят друг друга.
Амплитуда колебаний данной точки равна нулю.
В результате наложения когерентных волн (интерференции волн) образуется интерференционная картина.
Интерференция света.
1802г. Английский физик Томас Юнг поставил опыт, в котором наблюдалась интерференция света.
Опыт Томаса Юнга
От одного источника через щель А формировались два пучка света ( через щели В и С), далее пучки света падали на экран Э. Так как воны от щелей В и С были когерентными, на экране можно было наблюдать интерференционную картину: чередование светлых и темных полос.
Светлые полосы – волны усиливали друг друга (соблюдалось условие максимума).
Темные полосы – волны складывались в противофазе и гасили друг друга (условие минимума).
Если в опыте Юнга использовался источник монохроматического света ( одной длины волны), то на экране наблюдались только светлые и темные полосы данного цвета.
Если источник давал белый свет (т.е. сложный по своему составу), то на экране в области светлых полос наблюдались радужные полосы. Радужность объяснялась тем, что условия максимумов и минимумов зависят от длин волн.
Интерференция в тонких пленках
Явление интерференции можно наблюдать, например:
- радужные разводы на поверхности жидкости при разливе нефти, керосина, в мыльных пузырях
Толщина пленки должна быть больше длины световой волны.
При попадании монохроматического света (самый простой случай) на тонкую пленку часть света отражается от наружной поверхности пленки, другая часть света, пройдя через пленку, отражается от внутренней поверхности.
При попадании в глаз на сетчатке происходит наложение (сложение) двух когерентных волн и возникает интерференционная (полосатая) картина, как результат усиления и ослабления волн. В случае белого света интерференционная картина будет радужной.
При проведении своего опыта Юнгу впервые удалось измерить длину световой волны.
В результате опыта Юнг доказал, что свет обладает волновыми свойствами.
Применение интерференции:
- интерферометры – приборы для измерения длины световой волны
- просветление оптики ( в оптических приборах при прохождении света через объектив потери света составляют до 50%) – все стеклянные детали покрывают тонкой пленкой с показателем преломления чуть меньше, чем у стекла; перераспределяются интерференционные максимумы и минимумы и потери света уменьшаются.
Билет 15
1. Основные положения молекулярно – кинетической теории. Модель идеального газа. Абсолютная температура. Температура как мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул. Использование свойств газов в технике.
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) – это учение, которое объясняет тепловые явления в макроскопических телах и внутренние свойства этих тел движением и взаимодействием атомов, молекул и ионов, из которых состоят тела. В основе МКТ строения вещества лежат три положения:
Эти основные положения подтверждаются экспериментально и теоретически.
ИДЕА́ЛЬНЫЙ ГАЗ - теоретическая модель газа; в которой пренебрегают размерами частиц газа, не учитывают силы взаимодействия между частицами газа, предполагая, что средняя кинетическая энергия частиц много больше энергии их взаимодействия, и считают, что столкновения частиц газа между собой и со стенками сосуда абсолютно упругие.
Абсолютный нуль температуры. Наименьшим возможным значением температуры T является значение T=0, если давление p газа или объем V равны нулю.
Предельную температуру, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объеме или при которой объем идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении, называют абсолютным нулем температуры. Это самая низкая температура в природе, та «наибольшая или последняя степень холода», существование которой предсказывал Ломоносов.
Абсолютная шкала температур. Английский ученый У. Кельвин (1824-1907) ввел абсолютную шкалу температур. Нулевая температура по абсолютной шкале (ее называют также шкалой Кельвина) соответствует абсолютному нулю, а каждая единица температуры по этой шкале равна градусу по шкале Цельсия.
Единица абсолютной температуры в СИ называется Кельвином (обозначается буквой К: ).
Один кельвин и один градус шкалы Цельсия совпадают. Поэтому любое значение абсолютной температуры T будет на 273 градуса выше соответствующей температуры t по Цельсию
Т= t +273, К
Но изменение абсолютной температуры равно изменению температуры по шкале Цельсия : .
На рисунке 9.3 для сравнения изображены абсолютная шкала и шкала Цельсия. Абсолютному нулю соответствует температура t=-273°С.
Отметим важнейший факт: абсолютный нуль температуры недостижим!
Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.
Средняя кинетическая энергия хаотичного поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре. Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы.
Газы в технике, применяются главным образом в качестве топлива; сырья для химической промышленности: химических агентов при сварке, газовой химико-термической обработке металлов, создании инертной или специальной атмосферы, в некоторых биохимических процессах и др.; теплоносителей; рабочего тела для выполнения механической работы (огнестрельное оружие, реактивные двигатели и снаряды, газовые турбины, парогазовые установки, пневмотранспорт и др.): физической среды для газового разряда (в газоразрядных трубках и др. приборах). В технике используется свыше 30 различных газов.
2. Дифракция света. Явления, наблюдаемые при пропускании света через отверстия малых размеров. Дифракционная решётка.
Дифракция света – это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий.
Явление дифракции света доказывает, что свет обладает волновыми свойствами.
Для наблюдения дифракции можно:
- пропустить свет от источника через очень малое отверстие или расположить экран на большом расстоянии от отверстия. Тогда на экране наблюдается сложная картина из светлых и темных концентрических колец.
- или направить свет на тонкую проволоку, тогда на экране будут наблюдаться светлые и темные полосы, а в случае белого света – радужная полоса.
- наблюдение дифракции света на малом отверстии.
Объяснение картины на экране:
Французский физик О. Френель объяснил наличие полос на экране тем, что световые волны, приходящие из разных точек в одну точку на экране, интерферируют между собой.
Принцип Гюйгенса – Френеля
Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой.
Амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.
Принцип Гюйгенса-Френеля дает объяснение явлению дифракции:
1. вторичные волны, исходя из точек одного и того же волнового фронта (волновой фронт – это множество точек, до которых дошло колебание в данный момент времени) , когерентны, т.к. все точки фронта колеблются с одной и той же частотой и в одной и той же фазе;
2. вторичные волны, являясь когерентными, интерферируют.
Явление дифракции накладывает ограничения на применение законов геометрической оптики:
Закон прямолинейного распространения света, законы отражения и преломления света выполняются достаточно точно только , если размеры препятствий много больше длины световой волны.
Дифракция накладывает предел на разрешающую способность оптических приборов:
- в микроскопе при наблюдении очень мелких предметов изображение получается размытым
- в телескопе при наблюдении звезд вместо изображения точки получаем систему светлых и темных полос.
Дифракционная решетка - это оптический прибор для измерения длины световой волны.
Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.
Если на решетку падает монохроматическая волна . то щели (вторичные источники) создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее – экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране наблюдается система максимумов и минимумов.
Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на этом отрезке укладывается целое число длин волн, то волны от всех щелей будут усиливать друг друга. При использовании белого света все максимумы (кроме центрального) имеют радужную окраску.
Итак, условие максимума:
где k – порядок (или номер) дифракционного спектра
Чем больше штрихов нанесено на решетке, тем дальше друг от друга находятся дифракционные спектры и тем меньше ширина каждой линии на экране, поэтому максимумы видны в виде раздельных линий, т.е. разрешающая сила решетки увеличивается.
Точность измерения длины волны тем больше, чем больше штрихов приходится на единицу длины решетки.
Дифракционная картина от тонкой проволоки
Билет 16.
1.Уравнение состояния идеального газа. Изопроцессы.
Состояние данной массы газа полностью определено, если известны его давление, температура и объем. Эти величины называют параметрами состояния газа. Уравнение, связывающее параметры состояния, называют уравнением состояния.
Для произвольной массы газа состояние газа описывается уравнением Менделеева—Клапейрона: pV = mRT/M, где р — давление, V — объем, m — масса, М — молярная масса, R — универсальная газовая постоянная.
Уравнение, устанавливающее связь между давлением, объемом и температурой газов, было получено французским физиком Бенуа Клапейроном (1799—1864). В форме (26.7) его впервые применил великий русский ученый Дмитрий Иванович Менделеев (1834—1907), поэтому уравнение состояния газа называется уравнением Менделеева — Клапейрона.
Уравнение Менделеева—Клапейрона показывает, что возможно одновременное изменение трех параметров, характеризующих состояние идеального газа. Однако многие процессы в газах, происходящие в природе и осуществляемые в технике, можно рассматривать приближенно как процессы, в которых изменяются лишь два параметра. Особую роль в физике и технике играют три процесса: изотермический, изохорный и изобарный.
Изопроцессом называют процесс, происходящий с данной массой газа при одном постоянном параметре — температуре, давлении или объеме. Из уравнения состояния как частные случаи получаются законы для изопроцессов.
Изотермическим называют процесс, протекающий при постоянной температуре. Т = const. Он описывается законом Бойля—Мариотта: pV = const. Для данной массы газа произведение давления на объем есть величина постоянная.
Изохорным называют процесс, протекающий при постоянном объеме. Для него справедлив закон Шарля: при V = const, p/T = const. . Для данной массы газа отношения давления к температуре есть величина постоянная.
Изобарным называют процесс, протекающий при постоянном давлении. Уравнение этого процесса имеет вид V/T = const при р = const и называется законом Гей-Люссака: для данной массы газа отношения объема к температуре есть величина постоянная.
Все процессы можно изобразить графически (рис. 15)
2. Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и постоянная Планка. Применение фотоэффекта в технике.
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hv, где h — постоянная Планка, равная , v — 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 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 не зависит от его интенсивности.
3. Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффекта не происходит.
Зависимость фототока от напряжения показана на рисунке 51.
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. 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: . Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.
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 17.
1. Модель строения жидкостей. Насыщенные и ненасыщенные пары. Зависимость давления насыщенного пара от температуры. Кипение. Влажность воздуха и её измерение. Точка росы.
Жидкость — вещество в состоянии, промежуточном между твердым и газообразным. Свойства жидкостей. Жидкости легко меняют свою форму, но сохраняют объем. В обычных условиях они принимают форму сосуда, в котором находятся.
Строение жидкостей. Свойства жидкостей объясняются тем, что промежутки между их молекулами малы: молекулы в жидкостях упакованы так плотно, что расстояние между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул. Молекула жидкости колеблется около положения временного равновесия, сталкиваясь с другими молекулами из ближайшего окружения. Время от времени ей удается совершить «прыжок», чтобы покинуть своих соседей из ближайшего окружения и продолжать совершать колебания уже среди других соседей. Время оседлой жизни молекулы воды, т. е. время колебания около одного положения равновесия при комнатной температуре, равно в среднем 10"11 с. Время одного колебания значительно меньше — 10~,2-10~13 с.
Поскольку расстояния между молекулами жидкости малы, то попытка уменьшить объем жидкости приводит к деформации молекул, они начинают отталкиваться друг от друга, чем и объясняется малая сжимаемость жидкости. Текучесть жидкости объясняется тем, что «прыжки» молекул из одного оседлого положения в другое происходят по всем направлениям с одинаковой частотой.
Насыщенный и ненасыщенный пар
Если сжимать газ в сосуде при постоянной температуре, то при некотором его объеме в сосуде появится жидкость и перестанет меняться давление, так как концентрация молекул над жидкостью станет постоянной за счет наступления динамического равновесия между жидкостью и паром. Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным. Под динамическим равновесием жидкости и пара понимают такое их состояние, когда число молекул, покидающих поверхность жидкости, равно в среднем числу молекул пара, возвращающихся за то же время в жидкость. Название «насыщенный» подчеркивает, что в данном объеме при данной температуре не может находиться большее количество пара.
Зависимость давления насыщенного пара от температуры.
Давление насыщенного пара зависит от температуры, но не зависит от объема.
Если в замкнутом сосуде нагревается жидкость, то с ростом температуры в пространстве над жидкостью растет концентрация молекул n и их средняя энергия , поэтому давление растет нелинейно (рис. 3).
Рис. 3
Когда вся жидкость в сосуде превратится в пар, то давление начнет расти прямо пропорционально температуре T, как давление идеального газа
|
|
Кипение. Температура кипения.
Кипение – это процесс интенсивного парообразования, происходящий как со свободной поверхности жидкости, так и по всему объему жидкости внутрь образующихся в ней пузырьков пара.
Кипение начинается при температуре, когда давление насыщенного пара внутри мельчайших пузырьков воздуха, которые всегда имеются внутри жидкости, начинает превышать давление вокруг этих пузырьков. Оно равно сумме атмосферного и гидростатического давлений. При этом пузырьки начинают расти. Из-за этого растет и архимедова (выталкивающая) сила, которая поднимает их вверх, где они лопаются, выбрасывая пар. При заданном давлении над кипящей жидкостью температура системы «жидкость–пар» постоянна для данного вещества и называется температурой кипения. Пока вся жидкость в сосуде не выкипит, температура жидкости постоянна.
Температура кипения повышается с ростом внешнего давления по закону изменения давления насыщенного пара от температуры.
Влажность воздуха - физическая величина, характеризующая содержание в воздухе водяного пара. Относительная влажность воздуха – это отношение парциального давления (или концентрации молекул) водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению (концентрации) насыщенного пара при той же температуре. Выражается:
Относительная влажность воздуха показывает, насколько водяной пар в данных условиях близок к насыщению. Именно от этого зависит интенсивность испарения воды и потеря влаги живыми организмами. Для человека наиболее благоприятна относительная влажность, равная 40–60%.
Измерение влажности
Для измерения влажности используют зависимость различных параметров веществ от влажности воздуха. Такими параметрами могут служить, например, скорость испарения воды (психрометр, рис. 5), температура выпадения росы при локальном охлаждении воздуха (гигрометр, рис. 6), удлинение волоса при заданной нагрузке (волосяной гигрометр), сопротивление полупроводников (электронный измеритель влажности).
|
С помощью гигрометра измеряют точку росы – температуру, до которой необходимо охладить воздух, чтобы содержащийся в нем водяной пар, остывая, стал насыщенным. Начиная с этой температуры, охлаждение воздуха сопровождается появлением капелек росы на зеркальном сосуде, температуру которого понижают, прокачивая грушей воздух через легкокипящую жидкость (рис. 6).
С помощью психрометра фиксируют разницу температур двух термометров – сухого и влажного (рис. 5). По этой разнице и температуре сухого термометра устанавливают влажность воздуха по психрометрической таблице.
2.Законы отражения и преломления света. Полное отражение света. Линза. Формула тонкой линзы. Оптические приборы. Оптические кабели на ж/д.
На границе раздела двух различных сред, если эта граница раздела значительно превышает длину волны, происходит изменение направления распространения света: часть световой энергии возвращается в первую среду, то есть отражается, а часть проникает во вторую среду и при этом преломляется. Луч АО носит название падающий луч, а луч OD – отраженный луч (см. рис. 1.3). Взаимное расположение этих лучей определяют законы отражения и преломления света.
Рис. 1.3. Отражение и преломление света.
Угол α между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела, восстановленным к поверхности в точке падения луча, носит название угол падения.
Угол γ между отражённым лучом и тем же перпендикуляром, носит название угол отражения.
Закон отражения света:
1. Угол падения равен углу отражения.
α=γ
2. Падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
Преломление света – это изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух сред.
Закон преломления света.
1. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух данных сред есть величина постоянная
где n – это относительный показатель преломления (иначе показатель преломления второй среды относительно первой)
2. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности раздела двух сред, восстановленным в точке падения луча.
Показатель преломления
Физический смысл относительного показателя преломления (иначе показателя преломления второй среды относительно первой):
он показывает во сколько раз скорость света в той среде, из которой луч выходит, больше скорости света в той среде, в которую он входит.
Кроме того, каждая среда, через которую проходит луч света, характеризуется абсолютным показателем преломления:
Абсолютный показатель преломления - это показатель преломления среды относительно вакуума.
Он равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде.
Среда с меньшим абсолютным показателем преломления называется оптически менее плотной средой.
Для вакуума (воздуха) абсолютный показатель преломления среды = 1.
Таким образом, вакуум обладает наименьшей оптической плотностью.
Полное внутреннее отражение наблюдается при переходе света из среды оптически более плотной в оптически менее плотную среду.
Угол падения, при котором свет не преломляется в другую среду, а отражается и скользит вдоль раздела двух сред (т.е. угол преломления равен 900), называется предельным углом полного отражения.
Для стекла предельный угол полного отражения равен 420, для воды 490
|
Линзой называют прозрачное для света тело, ограниченное двумя сферическими поверхностями.
|
|||||||||
|
Линзу, у которой толщина пренебрежимо мала по сравнению с радиусами кривизны поверхностей, ограничивающих линзу, называют тонкой |
|||||||||
|
Основные понятия, используемые для описания хода лучей через линзы Главная оптическая ось - прямая, проходящая через центры кривизны С 1 и С 2. Оптический центр линзы - центральная точка О , через которую лучи походят, не изменяя направление.
1 дптр = 1м -1 .
|
|||||||||
Формула тонкой линзы. Если расстояние от предмета до линзы обозначить через d, а расстояние от линзы до изображения через f, то формулу тонкой линзы можно записать в виде:
|
|
Величину D, обратную фокусному расстоянию. называют оптической силой линзы. Единица измерения оптической силы является 1 диоптрия (дптр). Диоптрия – оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м:
|
1 дптр = м–1. |
Фокусным расстояниям линз принято приписывать определенные знаки: для собирающей линзы F > 0, для рассеивающей F < 0.
Величины d и f также подчиняются определенному правилу знаков:
Применение геометрической оптики, т.е. применение линз и зеркал.
Разработка световодных систем и их опытная эксплуатация на железнодорожном транспорте началась в начале 80-х годов. В этих системах связи сигналы, несущие информацию, передают по оптическим световодам, которые представляют собой тонкие нити специальной конструкции, изготовленные из диэлектрического материала, прозрачного для применяемого излучения. Волоконные световоды из особо чистого кварцевого стекла называются оптическими волокнами и составляют основу оптических кабелей.
Билет 18.
1.Модель строения твёрдых тел. Изменение агрегатных состояний вещества. Кристаллические тела. Свойства монокристаллов. Аморфные тела.
Твердое тело — агрегатное состояние вещества, характеризующееся постоянством формы и характером движения атомов, которые совершают малые колебания около положений равновесия.
В отсутствие внешних воздействий твердое тело сохраняет свою форму и объем.
Это объясняется тем, что притяжение между атомами (или молекулами) у них больше, чем у жидкостей (и тем более газов). Оно достаточно, чтобы удержать атомы около положений равновесия.
Молекулы или атомы большинства твердых тел, таких, как лед, соль, алмаз, металлы, расположены в определенном порядке. Такие твердые тела называют кристаллическими. Хотя частицы этих тел и находятся в движении, движения эти представляют собой колебания около определенных точек (положений равновесия). Частицы не могут уйти далеко от этих точек, поэтому твердое тело сохраняет свою форму и объем.
Кроме того, в отличие от жидкостей, точки положений равновесия атомов или ионов твердого тела, будучи соединенными, располагаются в вершинах правильной пространственной решетки, которая называется кристаллической.
Положения равновесия, относительно которых происходят тепловые колебания частиц, называются узлами кристаллической решетки.
Монокристалл — твердое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решетку (одиночный кристалл).
Одним из главных свойств монокристаллов, которым они отличаются от жидкостей и газов, является анизотропия их физических свойств. Под анизотропией понимают зависимость физических свойств от направления в кристалле. Анизотропными являются механические свойства (например, известно, что слюду легко расслоить в одном направлении и очень трудно — в перпендикулярном), электрические свойства (электропроводность многих кристаллов зависит от направления), оптические свойства (явление двойного лучепреломления, и дихроизма — анизотропии поглощения; так, например, монокристалл турмалина «окрашен» в разные цвета — зеленый и бурый, в зависимости от того, с какой стороны на него посмотреть).
Поликристалл — твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов. Поликристаллическими являются большинство твердых тел, с которыми мы имеем дело в быту — соль, сахар, различные металлические изделия. Беспорядочная ориентация сросшихся микрокристалликов, из которых они состоят, приводит к исчезновению анизотропии свойств.
Кристаллические тела имеют определенную температуру плавления.
Аморфные тела. Кроме кристаллических, к твердым телам относят также аморфные тела. Аморфный в переводе с греческого означает «бесформенный».
Аморфные тела — это твердые тела, для которых характерно неупорядоченное расположение частиц в пространстве.
В этих телах молекулы (или атомы) колеблются около хаотически расположенных точек и, подобно молекулам жидкости, имеют определенное время оседлой жизни. Но, в отличие от жидкостей, время это у них очень велико.
К аморфным телам относятся стекло, янтарь, различные другие смолы, пластмассы. Хотя при комнатной температуре эти тела сохраняют свою форму, но при повышении температуры они постепенно размягчаются и начинают течь, как жидкости: у аморфных тел нет определенной температуры, плавления.
Этим они отличаются от кристаллических тел, которые при повышении температуры переходят в жидкое состояние не постепенно, а скачком (при вполне определенной температуре — температуре плавления).
Все аморфные тела изотропны, т. е. имеют одинаковые физические свойства по разным направлениям. При ударе они ведут себя как твердые тела — раскалываются, а при очень длительном воздействии — текут.
В настоящее время есть много веществ в аморфном состоянии, полученных искусственным путем, например, аморфные и стеклообразные полупроводники, магнитные материалы и даже металлы.
2. Дисперсия света. Виды спектров. Спектрограф и спектроскоп. Спектральный анализ. Виды электромагнитных излучений и их применение на ж/д транспорте.
Луч белого света, проходя через трехгранную призму не только отклоняется, но и разлагается на составляющие цветные лучи.
Это явление установил Исаак Ньютон, проведя серию опытов.
Опыты Ньютона
Опыт по разложению белого света в спектр:
или
Ньютон направил луч солнечного света через маленькое отверстие на стеклянную призму.
Попадая на призму, луч преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов – спектр.
Ньютон на пути солнечного луча поставил красное стекло, за которым получил монохроматический свет (красный), далее призму и наблюдал на экране только красное пятно от луча света.
Сначала Ньютон направил солнечный луч на призму. Затем, собрав вышедшие из призмы цветные лучи с помощью собирающей линзы, Ньютон на белой стене получил вместо окрашенной полосы белое изображение отверстия.
Выводы Ньютона:
- призма не меняет свет, а только разлагает его на составляющие
- световые лучи, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости; наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, менее сильно – красные.
- красный свет, который меньше преломляется, имеет наибольшую скорость, а фиолетовый - наименьшую, поэтому призма и разлагает свет.
Зависимость показателя преломления света от его цвета называется дисперсией.
Спектр белого света:
Выводы:
- призма разлагает свет
- белый свет является сложным (составным)
- фиолетовые лучи преломляются сильнее красных.
Цвет луча света определяется его частотой колебаний.
При переходе из одной среды в другую изменяются скорость света и длина волны, а частота, определяющая цвет остается постоянной.
Белый свет – это совокупность волн длинами от 380 до 760 нм.
Глаз воспринимает отраженные от предмета лучи определенной длины волны и таким образом воспринимает цвет предмета.
|
Спектры испускания Совокупность частот (или длин волн), которые содержатся в излучении какого-либо вещества, называют спектром испускания. Они бывают трех видов. |
|
Сплошной - это спектр, содержащий все длины волн определенного диапазона от красного с λ ≈ 7,6.10-7 м до фиолетового с λ ≈ 4.10-7 м. Сплошной спектр излучают нагретые твердые и жидкие вещества, газы, нагретые под большим давлением. |
|
Линейчатый - это спектр, испускаемый газами, парами малой плотности в атомарном состоянии. Состоит из отдельных линий разного цвета (длины волны, частоты), имеющих разные расположения. Каждый атом излучает набор электромагнитных волн определенных частот. Поэтому каждый химический элемент имеет свой спектр |
|
Полосатый —это спектр, который испускается газом в молекулярном состоянии. |
|
Линейчатые и полосатые спектры можно получить путем нагрева вещества или пропускания электрического тока. |
|
Спектры поглощения Спектры поглощения получают, пропуская свет от источника. дающего сплошной спектр, через вещество, атомы которого находятся в невозбужденном, состоянии. Спектр поглощения — это совокупность частот, поглощаемых данным веществом. |
|
Согласно закону Кирхгофа вещество поглощает те линии спектра, которые и испускает, являясь источником света. |
|
Спектральный анализ Исследование спектров испускания и поглощения позволяет установить качественный состав вещества. Количественное содержание элемента в соединении определяется путем измерения яркости спектральных линий. Метод определения качественного и количественного состава вещества по его спектру называется спектральным анализом. Зная длины волн, испускаемых различными парами, можно установить наличие тех или иных элементов в веществе. Этот метод очень чувствителен. Отдельные линии в спектрах различных элементов могут совпадать, но в целом спектр каждого элемента является его индивидуальной характеристикой. Спектральный анализ сыграл большую роль в науке. С его помощью был изучен состав Солнца и звезд. В спектре Солнца (1814) были открыты фраунгоферовы темные линии. Солнце — раскаленный газовый шар (Т ≈ 6000 °С), испускающий сплошной спектр. Солнечные лучи проходят через атмосферу Солнца, где Т ≈ 2000— 3000 °С. Корона поглощает из сплошного спектра определенные частоты, а мы на Земле принимаем солнечный спектр поглощения. По нему можно определить, какие элементы присутствуют в короне Солнца. Он помог обнаружить все земные элементы, а также неизвестный элемент, который назвали гелий. Через 26 лет (1894) открыли гелий на Земле. Благодаря спектральному анализу открыто 25 элементов. Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов, Спектральный анализ можно производить как по спектрам испускания, так и по спектрам поглощения. Состав сложных смесей анализируется по молекулярному спектру. |
Спектр электромагнитного излучения в порядке увеличения частоты составляют:1) Низкочастотные волны; 2) Радиоволны; 3) Инфракрасное излучение; 4) Световое излучение; 5) Рентгеновское излучение; 6) Гамма излучение.
Все эти волны обладают общими свойствами: поглощение, отражение, интерференция, дифракция, дисперсия. Свойства эти могут, однако, проявляться по-разному. Различными являются источники и приемники волн.
Радиоволны: ν=105- 1011 Гц, λ=10-3-103 м.
Получают с помощью колебательных контуров и макроскопических вибраторов. Свойства. Радиоволны различных частот и с различными длинами волн по-разному поглощаются и отражаются средами. Применение Радиосвязь, телевидение, радиолокация.
Инфракрасное излучение (тепловое)
ν=3-1011- 4.1014 Гц, λ=8.10-7 - 2.10-3 м.
Излучается атомами и молекулами вещества.
Инфракрасное излучение дают все тела при любой температуре.
Человек излучает электромагнитные волны λ≈9.10-6 м.
Свойства
Регистрируют тепловыми методами, фотоэлектрическими и фотографическими.
Применение. Получают изображения предметов в темноте, приборах ночного видения (ночные бинокли), тумане. Используют в криминалистике, в физиотерапии, в промышленности для сушки окрашенных изделий, стен зданий, древесины, фруктов.
Видимое излучение
Часть электромагнитного излучения, воспринимаемая глазом (от красного до фиолетового):
Свойства. Воздействует на глаз.
Ультрафиолетовое излучение
(меньше, чем у фиолетового света)
Источники: газоразрядные лампы с трубками из кварца (кварцевые лампы).
Излучается всеми твердыми телами, у которых T>1000°С, а также светящимися парами ртути.
Свойства. Высокая химическая активность (разложение хлорида серебра, свечение кристаллов сульфида цинка), невидимо, большая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в небольших дозах благотворно влияет на организм человека (загар), но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздействие: изменения в развитии клеток и обмене веществ, действие на глаза.
Рентгеновские лучи
Излучаются при большом ускорении электронов, например их торможение в металлах. Получают при помощи рентгеновской трубки: электроны в вакуумной трубке (р= 10-3-10-5 Па) ускоряются электрическим полем при высоком напряжении, достигая анода, при соударении резко тормозятся. При торможении электроны движутся с ускорением и излучают электромагнитные волны с малой длиной (от 100 до 0,01 им). Свойства Интерференция, дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке, большая проникающая способность. Облучение в больших дозах вызывает лучевую болезнь. Применение. В медицине (диагностика заболеваний внутренних органов), в промышленности (контроль внутренней структуры различных изделий, сварных швов), на ж/д транспорте (в дефектоскопии).
γ-излучение
Источники: атомное ядро (ядерные реакции). Свойства. Имеет огромную проникающую способность, оказывает сильное биологическое воздействие. Применение. В медицине, производстве (γ-дефектоскопия)
Билет 19.
1. Внутренняя энергия и способы её изменения. Первый закон термодинамики и его применение к изопроцессам.
Внутренняя энергия - сумма кинетических энергий хаотического движения всех частиц тела относительно центра масс тела (молекул, атомов) и потенциальных энергий их взаимодействия друг с другом называется внутренней энергией. Кинетическая энергия частиц определяется скоростью, а значит - температурой тела. Потенциальная - расстоянием между частицами, а значит - объемом.
Следовательно: U=U(T,V) - внутренняя энергия зависит от объема и температуры.
Внутренняя энергия одноатомного идеального газа:
Для идеального газа: U=U(T), т.к. взаимодействием на расстоянии пренебрегаем.
Способы изменения внутренней энергии.
1.Совершение работы А . 2. 2.Теплопередача Q.
Работа газа :
Работа внешних сил над газом:
Количество теплоты
Q = cm(t2-t1) – нагревание (охлаждение)
Q=m - плавление (отвердевание)
Q = Lm - парообразование (конденсация)
Q = qm – сгорание топлива
Первый закон термодинамики: изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
Если А - работа внешних сил, а А' - работа газа, то А = - А' (в соответствии с 3-м законом Ньютона). Тогда применяется другая форма записи первого закона термодинамики: количество теплоты, переданное системе равно сумме изменения внутренней энергии системы и работы системы над внешними телами.
Применение первого закона термодинамики к изопроцессам, происходящим с идеальным газом.
В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закон термодинамики примет вид: Q =A/ ,
т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется.
В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы: .
Q = A/ +ΔU
При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е. А = 0, и уравнение первого закона имеет вид , Q= ΔU,
т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.
Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой, т.е. Q = 0,
следовательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следовательно, газ охлаждается. A/ = -ΔU
2. Постулаты специальной теории относительности. Полная энергия. Энергия покоя.
СТО – новая теория о пространстве и времени.
Первый постулат: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета. Этот постулат явился обобщением принципа относительности Ньютона не только на законы механики, но и на законы остальной физики. Первый постулат — принцип относительности.
Второй постулат: свет распространяется в вакууме с определенной скоростью с, не зависящей от скорости источника или наблюдателя.
Эти два постулата образуют основу теории относительности А. Эйнштейна.
Из постулатов СТО следует, что скорость света в вакууме является предельно возможной. Никакой сигнал, никакое воздействие одного тела на другое не могут распространяться со скоростью, превышающей скорость света в вакууме.
Релятивистское замедление времени. Если t0 – интервал времени между двумя событиями, происходящими в одной и той же пространственной точке, неподвижной относительно системы K ', а t – интервал времени между этими же событиями в системе K, то
где c – скорость света в вакууме. Время t0, отсчитываемое по часам, покоящимся относительно данного тела, называется собственным временем. Оно всегда меньше времени, измеренного по движущимся часам: t0 < t.
Релятивистское сокращение длины
Если l0 – длина расположенного вдоль оси x ' стержня в системе K ', относительно которой он покоится, а l – длина этого стержня в системе K, относительно которой он движется вдоль оси x со скоростью v, то:
Поперечные размеры движущегося стержня не изменяются. Линейный размер стержня l0 в той системе отсчета, где он покоится, называется собственной длиной. Эта длина максимальна: l0 > l.
Полная энергия тела или системы тел:
, где E0 = mc2 – энергия покоящегося тела.
При изменении массы тела на Δm выделяется эквивалентная энергия ΔE = Δmc2.
Билет 20.
1.Тепловые машины: основные части и принцип действия. Коэффициент полезного действия тепловой машины и способы его повышения. Проблемы энергетики и окружающей среды. Дизельные двигатели и их применение на ж/д транспорте.
Большая часть двигателей, используемых людьми, — это тепловые двигатели. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями. Любой тепловой двигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных элементов: рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника, которым является атмосфера или специальные устройства (рис. 28).
Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно температура нагревателя больше температуры холодильника. При совершении работы тепловыми двигателями происходит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количество теплоты Qн от нагревателя, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Qx. В соответствии с законом сохранения энергии .
Отношение работы к энергии, которое получило рабочее тело от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД):
Паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель работают на базе ископаемого топлива. В процессе работы многочисленных тепловых машин возникают тепловые потери, которые в конечном счете приводят к повышению внутренней энергии атмосферы, т. е. к повышению ее температуры. Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному изменению природных условий. При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы. С вредными последствиями работы тепловых машин можно бороться путем повышения КПД, их регулировки и создания новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества с отработанными газами.
Тепловые машины широко используют на производстве и в быту. По железнодорожным магистралям водят составы мощные тепловозы, по водным путям – теплоходы. Миллионы автомобилей с двигателями внутреннего сгорания перевозят грузы и пассажиров. Поршневыми , турбовинтовыми и турбореактивными двигателями снабжены самолеты и вертолеты. С помощью ракетных двигателей осуществляются запуски искусственных спутников, космических кораблей и станций. Двигатели внутреннего сгорания являются основой механизации производственных процессов в сельском хозяйстве. Их устанавливают на тракторах, комбайнах, самоходных шасси, насосных станциях. ТЕПЛОВОЗ - автономный локомотив, на котором в качестве силовой энергетической установки используется тепловой поршневой двигатель внутреннего сгорания - дизельный двигатель, величина эффективного кпд которого достигает 40—45%. Применение дизельного двигателя вместо паросиловой энергетической установки паровоза обеспечивает высокий уровень кпд тепловоза (26-31%), превышающий кпд паровоза в 4-5 раз.
Название «тепловоз» сложилось в России по типу названия паровоза.
2. Опыт Резерфорда. Ядерная модель атома. Постулаты Бора.
Большие успехи в исследовании строения атомов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию α-частиц при прохождении через тонкие слои вещества. В этих опытах узкий пучок -частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых α-частиц. Было обнаружено, что большинство α-частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые α-частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние α-частиц Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд не распределен равномерно в шаре радиусом 10-10 м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома — атомном ядре. При прохождении около ядра α-частица, имеющая положительный заряд, отталкивается от него, а при попадании в ядро — отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует центральная положительно зараженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10-15 м.
Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вращаются электроны (как планеты вокруг Солнца). Заряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.
Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов: электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом — это устойчивая система; при движении по круговой орбите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейчатый спектр. Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.
В основу своей теории Бор положил два постулата. Первый постулат: атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.
Это означает, что электрон (например, в атоме водорода) может находиться на нескольких вполне определенных орбитах. Каждой орбите электрона соответствует вполне определенная энергия.
Второй постулат: при переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях: , , где — постоянная Планка.
При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру и томная система излучает квант энергии. Теория Бора позволила объяснить существование линейчатых спектров.
Билет 21.
1.Необратимость тепловых процессов. Второй закон термодинамики.
Обратимым называется процесс, который отвечает следующим условиям:
Всякий процесс, не удовлетворяющий хотя бы одному из этих условий, является необратимым.
Так, можно доказать, что абсолютно упругий шарик, падая в вакууме на абсолютно упругую плиту, вернется после отражения в исходную точку, пройдя в обратном направлении все те промежуточные состояния, которые он проходил при падении.
Но в природе нет строго консервативных систем, в любой реальной системе действуют силы трения. Поэтому все реальные процессы в природе необратимы.
Реальные тепловые процессы также необратимы.
Примеры:
Между тем из первого закона термодинамики направленность и тем самым необратимость тепловых процессов не вытекает. Первый закон термодинамики требует лишь, чтобы количество теплоты, отданное одним телом, в точности равнялось количеству теплоты, которое получит другое. А вот вопрос о том, от какого тела, от горячего к холодному или наоборот, перейдет энергия, остается открытым.
Направленность реальных тепловых процессов определяется вторым законом термодинамики, который был установлен непосредственным обобщением опытных фактов. Это постулат. Немецкий ученый Р. Клаузиус дал такую формулировку второго закона термодинамики: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.
Из второго закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя второго рода, т.е. двигателя, который бы совершал работу за счет охлаждения какого-либо одного тела.
2.Элементарный электрический заряд. Два рода электрических зарядов. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона. Электрическое поле. Напряжённость электрического поля. Силовые линии. Суперпозиция электрических полей.
Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.
Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:
Одним из фундаментальных законов природы является экспериментально установленный закон сохранения электрического заряда.
В изолированной системе алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной:
|
Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.
С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e.
Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:
В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами.
Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
|
|
Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона: Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.1.3). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой.
Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними.
Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:
|
|
где – электрическая постоянная.
В системе СИ элементарный заряд e равен:
|
e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл. |
Опыт показывает, что силы кулоновского взаимодействия подчиняются принципу суперпозиции.
Если заряженное тело взаимодействует одновременно с несколькими заряженными телами, то результирующая сила, действующая на данное тело, равна векторной сумме сил, действующих на это тело со стороны всех других заряженных тел.
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ- существует вокруг электрического заряда, материально.
Основное свойство электрического поля: действие с силой на электрический заряд, внесенный в него.
Электростатическое поле- поле неподвижного эл.заряда, не меняется со временем.
Напряженность электрического поля. -силовая характеристика эл. поля.
- это отношение силы, с которой поле действует на внесенный точечный заряд к величине этого заряда.
- не зависит от величины внесенного заряда, а характеризует электрическое поле!
Направление вектора напряженности
совпадает с направлением вектора силы, действующей на положительный заряд, и противоположно направлению силы, действующий на отрицательный заряд.
В любой точке поля напряженность направлена всегда вдоль прямой, соединяющей эту точку и q0.
ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦИИ ( НАЛОЖЕНИЯ ) ПОЛЕЙ
Если в данной точке пространства различные электрически заряженные частицы 1, 2, 3... и т.д. создают электрические поля с напряженностью Е1, Е2, Е3 ... и т.д., то результирующая напряженность в данной точке поля равна геометрической сумме напряженностей.
Силовые линии эл. поля - непрерывные линии, касательными к которым являются векторы напряженности эл.поля в этих точках.
Однородное эл.поле - напряженность поля одинакова во всех точках этого поля.
Свойства силовых линий: не замкнуты (идут от + заряда к -), непрерывны, не пересекаются,
их густота говорит о напряженности поля (чем гуще линии, тем больше напряженность).
Билет 22.
1.Работа сил электрического поля. Потенциал и разность потенциалов. Эквипотенциальные поверхности. Связь между напряжённостью и напряжением.
|
Потенциал. Разность потенциалов. Напряжение. |
|
|
Потенциал электростатического поля — скалярная величина, равная отношению потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду: - энергетическая характеристика поля в данной точке. Потенциал не зависит от величины заряда, помещенного в это поле. |
|
|
Т.к. потенциальная энергия зависит от выбора системы координат, то и потенциал определяется с точностью до постоянной. За точку отсчета потенциала выбирают в зависимости от задачи: а) потенциал Земли, б) потенциал бесконечно удаленной точки поля, в) потенциал отрицательной пластины конденсатора. |
|
|
- следствие принципа суперпозиции полей (потенциалы складываютсяалгебраически). |
|
|
Потенциал численно равен работе поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки электрического поля в бесконечность. В СИ потенциал измеряется в вольтах: |
|
|
Разность потенциалов |
|
|
|
|
|
Напряжение — разность значений потенциала в начальной и конечнойточках траектории. Напряжение численно равно работе электростатического поля при перемещении единичного положительного заряда вдоль силовых линий этого поля. Разность потенциалов (напряжение) не зависит от выбора системы координат! |
|
|
Единица разности потенциалов
Напряжение равно 1 В, если при перемещении положительного заряда в 1 Кл вдоль силовых линий поле совершает работу в 1 Дж. |
|
|
Связь между напряженностью и напряжением. |
|
|
Напряженность равна скорости изменения потенциала вдоль направления d. |
|
|
Из этого соотношения видно:
|
|
|
Эквипотенциальные поверхности. ЭПП - поверхности равного потенциала. Свойства ЭПП: - работа при перемещении заряда вдоль эквипотенциальной поверхности не совершается; - вектор напряженности перпендикулярен к ЭПП в каждой ее точке. |
2. Модель строения атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи. Ядерные реакции.
В 1932г. после открытия протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко (СССР) и В. Гейзенберг (Германия) была выдвинута протонно-нейтронная модель ядра атома.
Согласно этой модели:
- ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов
- заряд ядра обусловлен только протонами
- число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента
- число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов (N=A-Z)
Условное обозначение ядра атома химического элемента:
X – символ химического элемента
А – массовое число, которое показывает :
- массу ядра в целых атомных единицах массы (а.е.м.)
(1а.е.м. = 1/12 массы атома углерода)
- число нуклонов в ядре (A = N + Z) , где N – число нейтронов в ядре атома
Z – зарядовое число, которое показывает:
- заряд ядра в элементарных электрических зарядах (э.э.з.)
( 1э.э.з. = заряду электрона = 1,6 х 10-19 Кл)
- число протонов
- число электронов в атоме
- порядковый номер в таблице Менделеева
Ядерные силы - силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре.
Свойства:
1.На расстояниях порядка 10-13см сильные взаимодействия соответствуют притяжению, при уменьшении расстояния – отталкиванию.
2.Независимы от наличия электрического заряда (свойство зарядовой независимости) Одинаковая сила действует и на протон и на нейтрон.
3.Взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов (свойство насыщения).
Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи очень велика. При синтезе 4 г гелия выделяется такое же количество энергии, как при сжигании двух вагонов каменного угля.
Масса ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных протонов и нейтронов, его составляющих.
Разность между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов называется дефектом масс.
Формула для вычисления энергии связи:
- дефект массы.
mp –масса покоя протона; mn – масса покоя нейтрона. Мя - масса ядра атома.
В атомной физике массу удобно выражать в атомных единицах массы:
1 а.е.м.=1,67·10-27 кг. Коэффициент связи энергии и массы (равный с2): с2= 931,5 МэВ/а·е·м.
Ядерные реакции - превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом.
Символическая запись: А + а = В + b. При написании ядерных реакций используются законы сохранения заряда и массового числа (числа нуклонов).
Примеры:
Энергетический выход ядерной реакции - разность между суммарной энергией связи частиц, участвующих в реакции и продуктов реакции.
Реакции, происходящие с выделением энергии, наз. экзотермическими, с поглощением - эндотермическими.
Билет 23.
1.Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений. Закон радиоактивного распада.
Естественной радиоактивностью называется самопроизвольное превращение атомных ядер одного химического элемента в ядра атомов другого химического элемента, сопровождаемое радиоактивным излучением.
Открытие явления - 1896 г. французский ученый Анри Беккерель при постановке опытов с солями урана.
Без каких-либо внешних влияний на уран А. Беккерелем было зарегистрировано неизвестное излучение.
В 1898 г. М. Склодовская - Кюри обнаружила излучение тория. а также открыла новые радиоактивные химические элементы полоний и радий.
Все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.
Естественная радиоактивность химических элементов не зависит от внешних условий.
Три вида радиоактивного излучения.
В 1899 г. Э. Резерфорд обнаружил, что радиоактивное излучение состоит из двух компонентов, которые он назвал "альфа-лучи" и "бета-лучи".
В 1900г. французский физик Ф. Вилард установил, что в состав излучения входят еще и гамма-лучи.
Опыт Резерфорда
Поведение радиоактивного излучения было изучено в магнитном поле. Радиоактивный элемент был помещен в узкий свинцовый стакан, напротив которого размещалась фотопластинка. Вся установка размещалась в вакууме.
В отсутствие магнитного поля на фотопластинке было обнаружено в центре одно пятно засветки от излучения.
В магнитном поле пучок излучения распался на три. Составляющие отклонялись в противоположные стороны: пятно на фотопластинке по середине оставляла составляющая, не имеющая заряда, две другие составляющие радиоактивного излучения отклонялись в противоположные стороны, что доказывало присутствие заряженных частиц в излучении.
В результате опыта Э.Резерфорд доказал, что радиоактивное излучение является неоднородным.
Свойства радиоактивных лучей
Альфа-излучение (альфа лучи) - это поток полностью ионизированных ядер атомов гелия.
Бета-излучение (бета-лучи) - это поток электронов.
Гамма-излучение (гамма-лучи) - это электромагнитное излучение.
Электромагнитные кванты гамма-излучения не имеют массы покоя и электрического заряда, поэтому при прохождении через вещество они очень слабо взаимодействуют с ядрами и электронами. Их энергия почти не меняется, поэтому гамма-излучение обладает большой проникающей способностью. Защитой от гамма-излучения является толстый слой свинца.
Закон радиоактивного распада установлен Ф. Содди.
Опытным путем Э. Резерфорд установил, что активность радиоактивного распада убывает с течением времени.
Используя закон радиоактивного распада, можно определить число нераспавшихся атомов какого-то количества радиоактивного вещества в любой момент времени:
Время, за которое распадается половина первоначального числа радиоактивных ядер, называется периодом полураспада (Т).
Чем меньше период полураспада, тем меньше живут атомы, тем быстрее происходит распад.
Для разных химических элементов величина периода полураспада различна : от миллионных долей секунд (например, полоний)до миллиардов лет (например, уран).
......
Период полураспада - это постоянная величина для данного химического элемента, и ее невозможно изменить.
Период полураспада определяет скорость радиоактивного распада.
2 Магнитные свойства вещества.
Вещества бывают парамагнитными, ферромагнитные и диамагнитные.
Парамагнитные- вещества, магнитная проницаемость которых немного больше, чем у вакуума. Попадая в магнитное поле, они немного усиливают его за счет своего магнетизма. Ферромагнитные- вещества, магнитная проницаемость которых во много раз больше, чем у вакуума. Попадая в магнитное поле, они намагничиваются и значительно усиливают его за счет своего магнетизма. Диамагнитные- вещества, магнитная проницаемость которых меньше, чем у вакуума. Они ослабляют магнитное поле, в которое попали. Магнитное поле внутри диамагнитного вещества меньше, чем снаружи.
Ферромагнетики.
Ферромагнетики- вещества, магнитная проницаемость которых во много раз больше, чем у вакуума. Их применяют для получения сильного магнитного поля. Попадая в магнитное поле, они намагничиваются и значительно усиливают его за счет своего магнетизма. В их атомах есть электроны, которые, двигаясь по орбитам вокруг ядер, совершают вращение вокруг своей оси. Магнитные поля таких электронов очень сильные и так расположены в пространстве, что при наложении усиливают друг друга. Внешнее магнитное поле у полюсов ферромагнетиков велико, так как велико и внутреннее
Температура Кюри при температуре, большей некоторой определённой для данного ферромагнетика, ферромагнитные свойства его исчезают. Эту температуру называют температурой Кюри по имени открывшего это явление французского учёного. Если сильно нагреть намагниченный гвоздь, то он потеряет способность притягивать к себе железные предметы. Для железа-7530С, никель 3630С, кобальт 10000С. существуютт ферромагнитные сплавы, у которых температура Кюри меньше 100 0C
Билет 24.
1.Деление ядер урана. Цепная ядерная реакция. Ядерная энергетика. Термоядерные реакции.
Делиться могут только ядра некоторых тяжелых элементов, например, урана.
Ядро урана - 235 имеет форму шара. Поглотив нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться.
Оно растягивается из стороны в сторону до тех пор, пока кулоновские силы отталкивания между протонами не начнут преобладать над ядерными силами притяжения. После этого ядро разрывается на две части и осколки разлетаются со скоростью 1/30 скорости света. При делении ядра образуются еще 2 или 3 нейтрона.
Появление нейтронов объясняется тем, что число нейтронов в осколках оказывается больше, чем это допустимо.
Имеющие огромную скорость разлетающиеся осколки тормозятся окружающей средой.
Кинетическая энергия осколков превращается во внутреннюю энергию среды, которая нагревается.
Таким образом, деление ядер урана сопровождается выделением большого количества энергии.
ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ
- это процесс, в котором одна проведенная реакция вызывает последующие реакции такого же типа.
При делении одного ядра урана образовавшиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана, при этом число нейтронов нарастает лавинообразно.
Отношение числа образовавшихся нейтронов в одном акте деления к числу таких нейтронов в предыдущем акте деления называется коэффициентом размножения нейтронов k.
При k меньше 1 реакция затухает, т.к. число поглощенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся.
При k больше 1 почти мгновенно происходит взрыв.
При k равном 1 идет управляемая стационарная цепная реакция.
Цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии.
Для осуществления цепной реакции не получается использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов.
Используемый в качестве топлива для атомных реакторов химический элемент уран состоит в природе из двух изотопов: урана-235 и урана - 238.
В природе изотопы урана-235 составляют всего лишь 0,7% от всего запаса урана, однако именно они пригодны для проведения цепной реакции, т.к. делятся под влиянием медленных нейтронов.
Ядра урана-238 могут делиться лишь под влиянием нейтронов большой энергии (быстрых нейтронов). Такую энергию имеют только 60% нейтронов, появляющихся при делении ядра урана-238. Примерно только 1 из 5 образовавшихся нейтронов вызывает деление ядра.
Условия протекания цепной реакции в уране-235:
- минимальное количество топлива (критическая масса), необходимое для проведения управляемой цепной реакции в атомном реакторе;
- скорость нейтронов должна вызывать деление ядер урана;
- отсутствие примесей, поглощающих нейтроны.
Критическая масса:
- если масса урана мала, нейтроны будут вылетать за его пределы, не вступая в реакцию
- если масса урана велика, возможен взрыв за счет сильного увеличения числа нейтронов
- если масса соответствует критической, протекает управляемая цепная реакция
Для урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это, например, шар из урана диаметром 9 см).
Первая управляемая цепная реакция - США в 1942 г. (Э.Ферми)
В СССР - 1946 г. (И.В.Курчатов).
ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР - это устройство на атомной электростанции для получения атомной энергии.
Назначение ядерного реактора: преобразование внутренней энергии атомного ядра в электрическую энергию.
В ядерном реакторе осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер (при k = 1).
Ядерными реакторами оснащены все АЭС (атомные электростанции).
Основные элементы ядерного реактора:
- топливо (уран-235, уран-238, плутоний-239) в виде стержней;
- замедлитель нейтронов (тяжелая вода, графит);
- теплоноситель (вода, жидкий натрий);
- устройство для регулирования реакции (кадмий, бор);
- защита (оболочка из бетона и железа).
Работа реактора:
Реактор работает на медленных нейтронах (более эффективно идет деление ядер урана-235).
Активная зона реактора, содержит ядерное топливо - урановые стержни и замедлитель - воду. Вода вокруг урановых стержней является не только замедлителем нейтронов, но и служит для отвода тепла, т.к. внутренняя энергия разлетающихся осколков переходит во внутреннюю энергию окружающей среды - воды. Активная зона окружена отражателем для возвращения нейтронов и защитным слоем бетона.
Достижение критической массы топлива осуществляется введением регулирующих стержней (до достижения массы урана = критической массе).
Активная зона посредством труб соединена в кольцо (1-ый контур).
Вода прокачивается по трубам контура насосом и отдает свою энергию змеевику в теплообменнике, нагревая воду в змеевике (во 2-м контуре).
Вода в змеевике превращается в пар, температура которого может достигать 540 градусов.
Пар вращает турбину, энергия пара превращается в механическую энергию.
Ось турбины вращает ротор электрогенератора, превращая механическую энергию в электрическую.
Отработанный (охлажденный ) пар поступает в конденсатор, где превращается в воду, возвращающуюся в 1-ый контур.
Первая АЭС была построена в г. Обнинске (СССР).
Преимущества АЭС:
- ядерные реакторы не потребляют кислород и органическое топливо
- не загрязняют окружающую среду золой и вредными для человека продуктами органического топлива
- биосфера надежно защищена от радиоактивного воздействия при нормальном режиме эксплуатации АЭС.
Недостатки АЭС:
- необходимость захоронения радиоактивных отходов и демонтаж отслуживших свой срок реакторов
- опасность радиоактивного заражения местности при аварийных выбросах
- опасность экологических катастроф ((1986 г. - Чернобыльская АЭС).
Существуют ядерные реакторы на быстрых нейтронах - размножители.
В термоядерную реакцию вступают легкие ядра, а в результате синтеза (слияния) они образуют более тяжелое ядро.
Такие термоядерные реакции при температурах в миллионы градусов идут в недрах Солнца, где ядра изотопов водорода, сливаясь вместе, образуют более тяжелое ядро атома гелия, при этом выделяется огромная энергия.
Чтобы провести слияние (синтез) ядер, т.е. соединить положительно заряженные ядра в новое ядро, необходимо преодолеть действующие между ними кулоновские (электростатические) силы отталкивания.
Чтобы преодолеть силы отталкивания участвующие в синтезе частицы должны обладать очень большой кинетической энергией, т.е. иметьбольшую скорость. Большая скорость частиц достигается повышением температуры вещества до миллионов градусов.
Ядерный реакция, происходящая в разогретом веществе называется термоядерной реакцией (синтезом).
При таких температурах вещество может существовать только в виде плазмы (полностью ионизированного газа, состоящего из положительно заряженных ионов и отрицательно заряженных электронов).
2.Состав белого света. Световая сигнализация. Цвет на ж/д транспорте.
Спектр белого света состоит из электромагнитных волн, имеющих длину от 350 (фиолетовый) до 650 нм (красный). Белый свет – сложный, он состоит из 7 основных цветов:
Красный – каждый как
Оранжевый – охотник однажды
Жёлтый – желает Жак-
Зелёный – знать звонарь
Голубой - где городской
Синий – сидит спилил
Фиолетовый - фазан фонарь
Если объединить7 разноцветных лучей в один луч, то получится белый свет.
Мы воспринимаем цвет благодаря трем типам светочувствительных клеток, называемых колбочками и расположенных в сетчатке глаза. Каждый тип клеток обладает максимальной чувствительностью к разным частям светового спектра, соответствующим основным цветам света — синему, зеленому и красному.
Объект можно увидеть, только если он отражает или пропускает свет. Если же объект почти полностью поглощает падающий свет, то объект принимает черный цвет. А когда объект отражает почти весь падающий свет, он принимает белый цвет. Таким образом, можно сразу сделать вывод о том, что цвет объекта будет определяться количеством поглощенного и отраженного света, которым этот объект освещается. Способность отражать и поглощать свет определятся молекулярной структурой вещества, иначе говоря — физическими свойствами объекта. Цвет предмета «не заложен в нем от природы»! От природы в нем заложены физические свойства: отражать и поглощать.
Цвет объекта и цвет источника излучения неразрывно связаны между собой, и эта взаимосвязь описывается тремя условиями.
— Первое условие: Цвет объект может принимать только при наличии источника освещения. Если нет света, не будет и цвета! Красная краска в банке будет выглядит черной. В темной комнате мы не видим и не различаем цветов, потому что их нет. Будет черный цвет всего окружающего пространства и находящихся в нем предметов.
— Второе условие: Цвет объекта зависит от цвета источника освещения. Если источник освещения красный светодиод, то все освещаемые этим светом объекты будут иметь только красные, черные и серые цвета.
— И наконец, Третье условие: Цвет объекта зависит от молекулярной структуры вещества, из которого состоит объект.
Зеленая трава выглядит для нас зеленой, потому что при освещении белым светом она поглощает красную и синюю волну спектра и отражает зеленую волну.
Рисунок – Отражение зеленой волны спектра
Бананы на рисунке выглядят желтыми, потому что они отражают волны, лежащие в желтой области спектра (желтую волну спектра) и поглощает все остальные волны спектра.
Рисунок – Отражение желтой волны спектра
Собачка, та что изображена на рисунке – белая. Белый цвет – результат отражения всех волн спектра.
Рисунок – Отражение всех волн спектра
Цвет предмета – это цвет отраженной волны спектра. Вот так предметы приобретают видимый нами цвет.
В световой сигнализации транспорта используются три цвета - красный, желтый и зеленый. Для человека исстари сложилось, что красный цвет - сигнал опасности, тревоги. Именно огонь был для него всегда таким знаком. Красный цвет стал общепризнанным сигналом предупреждения об опасности. И наоборот, зеленый сигнал всегда олицетворялся с безопасностью, спокойствием, поэтому было естественным использовать его в качестве разрешающего сигнала светофора.
Лучи красного цвета имеют наибольшую длину волны и распространяются с наименьшими потерями. Поэтому красный цвет виден дальше всех. Красный сигнал лучше заметен и именно он принят как сигнал опасности. Это особенно важно, например, в условиях недостаточной видимости. Так, туман поглощает синие и зеленые лучи, поэтому зеленый цвет в тумане может воспринимается как желтый, а желтый как красный. Если водитель в тумане ошибочно примет желтый цвет за красный, а зеленый за желтый, то такие ошибки не создадут опасности для движения.
В начале на светофорах вверху располагался зеленый сигнал, но потом пришли к единодушному мнению, что красный сигнал более важный для водителей и пешеходов и поэтому он должен быть более заметным. Неслучайно поэтому в последнее время даже стали делать линзы для этого сигнала больше остальных.
Билет 25.
1.Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Электростатическая индукция. Поляризация диэлектриков. Диэлектрическая проницаемость среды.
ПРОВОДНИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Электростатическое поле – электрическое поле, образованное неподвижными электрическими зарядами.
Свободные электроны - электроны, способные свободно перемещаться внутри проводника ( в основном в металлах) под действием эл. поля;
Свободные электроны возникают при образовании металлов: электроны с внешних оболочек атомов утрачивают связи с ядрами и начинают принадлежать всему проводнику;
- участвуют в тепловом движении и могут свободно перемещаться по всему проводнику.
Электростатическое поле внутри проводника
- внутри проводника электростатического поля нет ( Е = 0 ), что справедливо для заряженного проводника и для незаряженного проводника, внесенного во внешнее электростатическое поле,
т.к. существует явление электростатической индукции, т.е. явление разделения зарядов в проводнике, внесенном в электростатическое поле ( Е внешнее) с образованием нового электростатического поля ( Е внутр.) внутри проводника.
Внутри проводника оба поля ( Евнешн. и Евнутр.) компенсируют друг друга, тогда внутри проводника
Е = 0.
Заряды можно разделить:
Электрический заряд проводников
- весь статический заряд проводника расположен на его поверхности, внутри проводника q = 0;
- справедливо для заряженных и незаряженных проводников в электрическом поле.
Линии напряженности эл.поля в любой точке поверхности проводника перпендикулярны этой поверхности.
ДИЭЛЕКТРИКИ В ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Внутри диэлектрика может существовать электрическое поле!
Электрические свойства нейтральных атомов и молекул:
Нейтральный атом -положительный заряд ( ядро) сосредоточен в центре;
- отрицательный заряд - электронная оболочка;
считается, что из-за большой скорости движения электронов по орбитам центр распределения отрицательного заряда совпадает с центром атома.
Молекула - чаще всего - это система ионов с зарядами противоположных знаков ,
т.к. внешние электроны слабо связаны с ядрами и могут переходить к другим атомам.
Электрический диполь - молекула, в целом нейтральная , но центры распределения
противоположных по знаку зарядов разнесены; рассматривается, как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку,
находящихся внутри молекулы на некотором расстоянии друг от друга.
Существуют 2 вида диэлектриков ( различаются строением молекул) :
1) полярные - молекулы, у которых центры положительного и отрицательного зарядов
не совпадают ( спирты, вода и др.);
2) неполярные - атомы и молекулы, у которых центры распределения зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, полиэтилен и др.).
ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
- смещение положительного и отрицательного зарядов в противоположные стороны, т.е.ориентация молекул.
Поляризация полярных диэлектриков
Диэлектрик вне эл.поля - в результате теплового движения электрические диполи ориентированы беспорядочно на поверхности и внутри диэлектрика.
q = 0 и Eвнутр = 0
Диэлектрик в однородном эл.поле - на диполи действуют силы, создают моменты сил и поворачивают диполи вдоль силовых линий эл.поля.
Но ориентация диполей - только частичная, т.к. мешает тепловое движение.
На поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, а внутри диэлектрика заряды диполей компенсируют друг друга.
Таким образом, средний связанный заряд диэлектрика = 0.
Поляризация неполярных диэлектриков - тоже поляризуются в эл.поле: положительные и отрицательные заряды молекул смещаются,
центры распределения зарядов перестают совпадать (как диполи), на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд, а внутри эл.поле лишь ослабляется.
Ослабление поля зависит от свойств диэлектрика.
Диэлектрическая проницаемость диэлектрика ε – величина, показывающая, во сколько раз в диэлектрике электрическое поле слабее, чем в вакууме.
2. Масса и её измерение. Измерение массы на ж/д транспорте.
Когда футболист или волейболист бьют по мячу, то мяч послушно летит в заданном направлении, а вот спортсмен остается на месте, хотя его руки или ноги тоже ощущают на себе воздействие мяча. Все знают это по игре в пляжный волейбол – руки потом красные и побаливают. Но воздействие на мяч и руку во время удара разное.
Это потому, что масса мяча и человека отличается. Если же одним мячом попасть по другому, спокойно лежащему, то разлетятся в разные стороны оба мяча, и притом, с приличной скоростью. Это потому что массы мячей примерно равны. Масса – это мера инертности тела. Чем меньшей инертностью обладает тело, тем меньше его масса, и поэтому мяч летит легко и далеко при ударе. А человек обладает гораздо большей инертностью, то есть массой, и, соответственно, почти не ощущает на себе воздействие мяча.
За единицу измерения массы тела принят один килограмм. А на практике применяют и другие единицы – грамм, миллиграмм, тонна и т.п. Для измерения массы тела существуют разные способы. Один из них – это сравнение скоростей тел после взаимодействия. Например, если один мяч после столкновения полетел в два раза быстрее другого, то, очевидно, что он в два раза легче. Иной, более простой и привычный нам способ измерения массы заключается в измерении массы тела на весах, то есть взвешивании, если говорить по-простому. При взвешивании сравнивается масса тела с телами, массы которых известны – специальными гирями. Гири существуют по 1, 2 килограмма, по 100, 200, 500 грамм и так далее. Существуют также специальные аптечные гири весом в несколько грамм. Тело весом в несколько миллиграмм, например, комара можно взвесить на специальных аналитических весах. В настоящее время почти повсеместно используют для взвешивания не механические, а электронные весы, в принципе действия которых лежит воздействие веса тела на специальный датчик, который преобразует этот вес в определенный электрический сигнал. Но суть остается та же – мы заранее знаем, какое воздействие оказывает тот или иной вес на датчик, и поэтому можем по получаемым от датчика сигналам судить о весе предмета, преобразовывая этот сигнал в цифры на табло.
Расчет массы тела очень крупных объектов, таких как земля, солнце или луна, а также, очень мелких объектов: атомов, молекул производят иными способами – через измерение скоростей и иных физических величин, входящих в различные законы физики вместе с массой.
Для ж/д транспорта разработаны вибрационно-частотные вагонные весы типа ЭМ-К, предназначенные для взвешивания четырех-, шести- и восьмиосных железнодорожных вагонов при скорости следования их по весам в составе поезда 5—10 км/ч с любым сочетанием вагонов. Весы устанавливают на станциях железных дорог и подъездных путях промышленных предприятий. Вибрационно-частотные вагонные весы состоят из грузоприемной части, силоизмерительного преобразователя, вторичной аппаратуры — устройства обработки и регистрации информации при взвешивании подвижного состава.