Вынужденные колебания. Резонанс. Автоколебания

Вынужденные колебания – колебания, происходящие под действием меняющейся

во времени внешней силы, которая совершает работу. За счет этого энергия

колебательной системы увеличивается.

При вынужденных колебаниях может наблюдаться явление резкого возрастания

амплитуды A вынужденных колебаний системы – резонанс. Это явление

возникает тогда, когда частота вынуждающей силы приближается к собственной

частоте колебаний этой системы. При этом энергия, поступающая в колебательную

систему, также равна потерям энергии за счет работы силы трения, однако баланс

энергий наступает при другой амплитуде колебаний.

Рис. 7

Резонанс может возникать и тогда, когда частота колебаний вынуждающей силы

кратна собственной частоте колебаний системы.

Зависимость амплитуды колебаний системы от частоты вынуждающей силы (рис. 7)

называется резонансной кривой.

.

 

 

12. Распределение колебаний в упругой среде. Продольные и поперечные волны. Длина волны и ее связь с периодом и скоростью. Звуковые волны.

 

Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или газообразной) среды возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание начнет распространяться в среде с некоторой скоростью v. Процесс распространения колебаний называется волной В твердой среде возможно возникновение как продольных, так и поперечных волн. В продольных волнах вследствие совпадения направлений колебаний частиц и волны появляются сгущения и разрежения.

Распространение волн в упругой среде.

На рис.8.1 показано движение частиц при распространении в среде поперечной волны. Номерами 1,2,3 и т.д. обозначены частицы, отстоящие друг от друга на расстоянии, равном , т.е. на расстоянии, проходимом волной за четверть периода колебаний, совершаемых частицами

Скорость распространения волн тем меньше, чем инертнее среда, т.е. чем больше ее плотность. С другой стороны, она имеет большее значение в более упругой среде, чем в менее упругой. Скорость продольных волн определяется по формуле: , а поперечной:

где ρ- плотность среды, E - модуль Юнга, G - модуль сдвига. Так как для большинства твердых тел E>G то скорость продольных волн больше скорости поперечных.



Звуковыми (или акустическими) волнами называются распространяющиеся в среде упругие волны, обладающие частотами в пределах 16—20000 Гц. Волны указанных частот, воздействуя на слуховой аппарат человека, вызывают ощущение звука. Волны с n < 16 Гц (инфразвуковые) и n > 20 кГц (ультразвуковые) органами слуха человека не воспринимаются.

Звуковые волны в газах и жидкостях могут быть только продольными, так как эти среды обладают упругостью лишь по отношению к деформациям сжатия (растяжения). В твердых телах звуковые волны могут быть как продольными, так и поперечными, так как твердые тела обладают упругостью по отношению к деформациям сжатия (растяжения) и сдвига.

 

III МКТ идеального газа. Термодинамика

 13.Температура, ее характеристики.

 

Температу ́ра (от лат. temperatura — надлежащее смешение, нормальное состояние) — скалярная физическая величина, характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

... мерилом температуры является не само движение, а хаотичность этого движения. Хаотичность состояния тела определяет его температурное состояние, и эта идея (которая впервые была разработана Больцманом), что определённое температурное состояние тела вовсе не определяется энергией движения, но хаотичностью этого движения, и является тем новым понятием в описании температурных явлений, которым мы должны пользоваться ... П. Л. Капица[1]

 

В Международной системе единиц (СИ) термодинамическая температура используется в качестве одной из семи основных физических величин, входящих в Международную систему величин (англ. International System of Quantities, ISQ), а её единицей является кельвин, представляющий собой, соответственно, одну из семи основных единиц СИ^[2]. Кроме термодинамической температуры в СИ используется температура Цельсия, её единицей является градус Цельсия, входящий в состав производных единиц СИ, имеющих специальные наименования и обозначения, и по размеру равный кельвину^[3]. На практике часто применяют градусы Цельсия из-за исторической привязки к важным характеристикам воды — температуре таяния льда (0 °C) и температуре кипения (100 °C). Это удобно, так как большинство климатических процессов, процессов в живой природе и т. д. связаны с этим диапазоном. Изменение температуры на один градус Цельсия тождественно изменению температуры на один кельвин. Поэтому после введения в 1967 г. нового определения кельвина, температура кипения воды перестала играть роль неизменной реперной точки и, как показывают точные измерения, она уже не равна 100 °C, а близка к 99,975 °C^[4].

Существуют также шкала Фаренгейта и некоторые другие.

 

14. Степени свободы. Полная кинетическая энергия молекул.

 

Большинство химических веществ состоит из многоатомных молекул. Если рассматривать газообразное состояние вещества, то при столкновениях молекул тепловая энергия газа случайным образом расходуется на изменение кинетических энергий поступательного и вращательного движений молекул, а также на возбуждение колебаний атомов в молекуле. Естественно предположить, что указанные движения в молекуле могут происходить одновременно.

Поэтому у двухатомной молекулы две вращательные степени свободы, т. е. . Если расстояние между атомами в молекуле меняется, то это означает, что атомы колеблются друг относительно друга. В этом случае у двухатомной нежесткой молекулы имеется шесть степеней свободы ( ).

Если число атомов в молекуле , то по динамическим свойствам их делят на линейные (типа молекул HCN, CO₂ рис. 2) и нелинейные (например, молекула воды H₂O).

 

рис. 2

 

В линейных молекулах, в отличие от нелинейных, атомы расположены вдоль одной прямой. Поэтому жесткая линейная молекула содержит столько же степеней свободы, сколько имеет жесткая двухатомная, т. е. пять. Нелинейная жесткая молекула, очевидно, имеет, как и твердое тело, шесть степеней свободы.

В заключение отметим, что закон равнораспределения применим к идеальному газу. Если же газ находится при больших давлениях, то при вычислении полной энергии газа E необходимо учитывать энергию взаимодействия молекул между собой.

15.Уравнение Менделеева – Клапейрона и его характеристики.

Ур-ние состояния идеального газа, устанавливающее связь между его объемом V. давлением ри абс. т-рой Т. Имеет вид:
pV=nRT.
где п - число молей газа, R =8,31431 Дж/моль. К) - газовая постоянная. Для 1 моля газа pv=RT, где v-молярный объем. К.-М. у. записывают также в форме: pV=NkT, где N - число частиц газа в объеме V, k- постоянная Болыгмана. Если М - масса газа, а m - его мол. масса, то pV=(M/m)RT. К.-М. у. приближенно выполняется для реальных газов при достаточно низких давлениях; с повышением т-ры область давлений, при к-рых состояние реального газа можно описывать К.-М. у., расширяется. Для молекулярных газов (напр., атм. воздуха) при обычных т-рах и давлениях до 1,01^.10⁵ Па (1 атм) К.-М. у. выполняется достаточно точно. К.-М. у. широко используют при расчетах термодинамич. св-в газов, определения работы, совершаемой системой в к.-л. процессе. Ассоциированные газы, напр. пары НСООН, СН ₃ СООН, С ₃ Н ₇ СООН и др. карбоновых к-т, не подчиняются К.-М. у. даже при очень низких давлениях. Ур-ние было установлено опытным путем Б. П. Э. Клапейроном в 1834; оно имело вид: pV=ВТ, где В- постоянная, зависящая от природы газа и его массы. В совр. виде ур-ние было получено в 1874 для 1 моля идеального газа Д. И. Менделеевым в результате объединения законов Гей - Люссака, Бойля-Мариотта и Авогадро. Вывод К.-М. у. возможен на основании представлений молекулярно-кинетич. теории газов.

 

16.Экспериментальные газовые законы.

.

Процессы, при которых один из параметров p, V или Τ остается постоянным при данной массе газа, называют изопроцессами.

• isos в переводе с греческого означает «равный».

Законы, описывающие изопроцессы в идеальном газе, были открыты экспериментально.

Изотермический процесс

Изотермический процесс — это изопроцесс, происходящий при постоянной температуре: Τ = const.

• therme — тепло.

Закон экспериментально открыли независимо друг от друга английский химик и физик Роберт Бойль (1662) и французский физик Эдм Мариотт (1676).

Закон изотермического процесса (Бойля-Мариотта): для данной массы газа при постоянной температуре произведение давления на объем есть величина постоянная:

p⋅V=const или для двух состояний p1⋅V1=p2⋅V2.

Для осуществления изотермического процесса надо сосуд, наполненный газом, привести в контакт с термостатом.

• Термостат — это прибор для поддержания постоянной температуры.

• Изотермическим процессом приближенно можно считать процесс медленного сжатия или расширения газа в сосуде с поршнем. Термостатом в этом случае служит окружающая среда.

Изобарный процесс

Изобарный процесс — это изопроцесс, происходящий при постоянном давлении: p = const.

• baros — тяжесть, вес.

Закон экспериментально исследовали независимо друг от друга французские физики Жак Шарль (1787) и Жозеф Гей-Люссак (1802).

• Работа Ж. Шарля была опубликована уже после открытия Ж. Гей-Люссака. Но изобарный процесс в российских учебниках называют законом Гей-Люссака, в белорусских — законом Шарля.

Закон изобарного процесса: при данной массе газа при постоянном давлении отношение объема к абсолютной температуре есть величина постоянная:

VT=const, или V1T1=V2T2.

 

V=V0(1+αt)

, где V₀ — объем газа при 0 °С, α = 1/273 К^-1 — температурный коэффициент объемного расширения.

• Опыт показывает, что при малых плотностях температурный коэффициент объемного расширения не зависит от вида газа, т.е. одинаков для всех газов).

Изохорный процесс

Изохорный процесс — это изопроцесс, происходящий при постоянном объеме: V = const.

• chora — занимаемое место, объем.

Закон экспериментально исследовали независимо друг от друга французские физики Жак Шарль (1787) и Жозеф Гей-Люссак (1802).

• Изохорный процесс в российских учебниках называют законом Шарля, в белорусских — законом Гей-Люссака.

Закон изохорного процесса: при данной массе газа при постоянном объеме отношение давления к абсолютной температуре есть величина постоянная:

pT=const, или p1T1=p2T2.

Если температуру измерять по шкале Цельсия, то закон Гей-Люссака запишется в виде

p=p0(1+αt)

, где p₀ — давление газа при 0 °С, α — температурный коэффициент давления, оказавшийся одинаковым для всех газов: α = 1/273 К^-1 .

 

17. 1 Закон термодинамики и его применение к различным изопроцессам.

 

ПРИМЕНЕНИЕ 1 ЗАКОНА ТЕРМОДИНАМИКИ К ИЗОПРОЦЕССАМ.
Процесс	Постоянные	График	Изменение внутренней энергии	Запись 1-го закона термодинамики	Физический смысл
Изотермическое расширение	m=const M=const T=const pV=const		U=const DU=0	Q=A'	Изотермический процесс не может происходить без теплопередачи. Все количество теплоты, переданное системе, расходуется на совершение этой системой механической работы.
Изотермическое сжатие	m=const M=const T=const pV=const		U=const DU=0	A=-Q	Изотермический процесс не может происходить без теплопередачи. Вся работа внешних сил выделяется в виде тепла.
Изохорное нагревание	m=const M=const V=const	p                                                                                       V	p­Þ T­Þ U­Þ DU>0	A=0 Q= DU	Все количество теплоты, переданное системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии.
Изохорное охлаждение	m=const M=const V=const	p                     V	p¯Þ T¯Þ U¯Þ DU<0	A=0 Q= DU<0	Система уменьшает свою внутреннюю энергию, отдавая тепло окружающим телам.
Изобарное расширение (нагревание)	m=const M=const p=const	p                     V	V­Þ T­Þ U­Þ DU>0	Q=DU+A' DU=Q-А'>0	Количество теплоты, переданное системе, превышает совершенную ею механическую работу. Часть тепла расходуется на совершение работы, а часть – на увеличение внутр. энергии.
Изобарное сжатие (охлаждение)	m=const M=const p=const	P                         V	V¯Þ T¯Þ U¯Þ DU<0	DU=Q+A<0 Q<0	Количество теплоты, отдаваемое системой, превышает работу внешних сил. Часть тепла система отдает за счет уменьшения внутр. энергии.
Адиабатное Расширение	m=const M=const =const	P                          V	DU<0 U¯Þ  T¯	Q=0 A' > 0 DU=-A' < 0 A'=-DU	Система совершает механическую работу только за счет уменьшения своей внутренней энергии.
Адиабатное сжатие	m=const M=const   =const	P                        V	DU>0 U­Þ  T­	Q=0 A>0 DU=A	Внутренняя энергия системы увеличивается за счет работы внешних сил.

 

 

18. Адиабатическое расширение газа. Работа, совершаемая при изменении объема газа.

Адиабати ́ческий, или адиаба ́тный проце ́сс

Адиабатический процесс для идеального газа описывается уравнением Пуассона. Линия, изображающая адиабатный процесс на термодинамической диаграмме, называется адиабатой. Адиабатическими можно считать процессы в целом ряде явлений природы. Так же такие процессы получили ряд применений в технике.

Работа при изобарном расширении газа. Одним из основных термодинамических процессов, совершающихся в большинстве тепловых машин, является процесс расширения газа с совершением работы. Легко определить работу, совершаемую при изобарном расширении газа.

Если при изобарном расширении газа от объема V₁ до объема V₂ происходит перемещение поршня в цилиндре на расстояние l (рис. 106), то работа A', совершенная газом, равна

, (33.1)

где p — давление газа, — изменение его объема.

Работа при произвольном процессе расширения газа. Произвольный процесс расширения газа от объема V₁ до объема V₂ можно представить как совокупность чередующихся изобарных и изохорных процессов.

При изохорных процессах работа равна нулю, так как поршень в цилиндре не перемещается. Работа при изобарных процессах пропорциональна площади фигуры на диаграмме p, V под соответствующим участком изобары (рис. 108).

Следовательно, работа при произвольном процессе расширения газа прямо пропорциональна площади фигуры под соответствующим участком графика процесса на диаграмме p, V.

Работа при сжатии газа. При расширении газа направление вектора силы давления газа совпадает с направлением вектора перемещения, поэтому работа A', совершенная газом, положительна (A' > 0), а работа А внешних сил отрицательна: A = -A' < 0.

При сжатии газа направление вектора внешней силы совпадает с направлением перемещения, поэтому работа А внешних сил положительна (A > 0), а работа A', совершенная газом, отрицательна (A' < 0).

Примерами адиабатных процессов могут служить процессы сжатия воздуха в цилиндре воздушного огнива, в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. В соответствии с первым законом термодинамики, при адиабатном сжатии изменение внутренней энергии газа равно работе внешних сил А:

(33.2)

Так как работа внешних сил при сжатии положительна, внутренняя энергия газа при адиабатном сжатии увеличивается, его температура повышается.

 

 

IV Электростатика

19. Электризация тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.

 

Электризация тел всегда сводится к перераспределению электронов. Если тело имеет избыток электронов, то оно заряжено отрицательно, если - недостаток электронов, то тело заряжено положительно.
В изолированной системе алгебраическая сумма электрических зарядов остается постоянной (закон сохранения электрического заряда):

q1 + q2 +…+ qN = ∑qi = const

Закон, которому подчиняется сила взаимодействия точечных неподвижных зарядов установлен Кулоном (1785 г.)
Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями от этого тела до других тел, несущих электрический заряд.
Согласно закону Кулона сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

20.Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Поток вектора напряженности эл. поля.

Напряженность электрического поля,	Электрическое смещение,
1) Напряженность электрического поля, Е                                           ,                              (3) где F — сила, действующая на точечный положительный заряд Q, помещенный в данную точку поля Напряженность электрического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от заряда,                                                                                                       (4)	1) Электрическое смещение, D   Электрическое смещение D связано с напряженностью E электрического поля соотношением                                               D=e0eE                            (12)   Это соотношение справедливо только для изотропных диэлектриков.
2) Поток вектора напряженности Е электрического поля а) поток вектора напряженности через плоскую поверхность, помещенную в однородное электрическое поле,                            ФE =Е Scosa                               (5)   б) поток вектора напряженности через произвольную поверхность S, помещенную в неоднородное поле,                                                (6) Или                           ,                          (7) где a — угол между вектором напряженности Е и нормалью n к элементу поверхности;   dS — площадь элемента поверхности;   En — проекция вектора напряженности на нормаль;   в) поток вектора напряженности Е через замкнутую поверхность                       ,                         (8)   где интегрирование ведется по всей поверхности.	2) Поток вектора электрического смещения а) в случае однородного поля поток сквозь плоскую поверхность                    ;                 (13)   б) в случае неоднородного поля и произвольной поверхности                                                (14) где Dn — проекция вектора D на направление нормали к элементу поверхности, площадь которой равна dS.

 

21.Теорема Остроградского-Гаусса и ее применение.

 

Если замкнутая поверхность произвольной формы охватывает заряд (рис. 2, б), то при пересечении любой выбранной линии напряженности с поверхностью она то входит в поверхность, то выходит из нее. Нечетное число пересечений при вычислении потока в конечном счете сводится к одному пересечению, так как поток считается положительным, если линии напряженности выходят из поверхности, и отрицательным для линии, входящей в поверхность. Если же внутри поверхности площадью S₁ (см. рис. 2) заряды отсутствуют, то поток напряженности через эту поверхность равен нулю (N_S = 0).

Рис. 3

Если рассматриваемая поверхность охватывает не один, а несколько электрических зарядов, то под q следует понимать алгебраическую сумму этих зарядов (рис. 3) и

NS=q1+q2+q3ε0ε.

Эта формула выражает теорему Остроградского—Гаусса: поток вектора напряженности через замкнутую поверхность равен алгебраической сумме зарядов, расположенных внутри этой поверхности, деленной на произведение электрической постоянной и диэлектрической проницаемости среды.

Применим эту теорему для расчета электростатических полей некоторых проводников.

.

Согласно теореме Остроградского—Гаусса, можно записать E⋅2πRΔl=τΔlε0ε . Следовательно, модуль напряженности поля, создаваемого равномерно заряженной бесконечно длинной нитью на расстоянии R от нее,

E=τ2πε0εR.

22.Проводники и диэлектрики в электрическом поле.

 

Как нам уже известно, проводник представляет собой тело, ко­торое содержит большое число свободных электронов, заряды ко­торых компенсируются положительными зарядами ядер атомов. Если металлический проводник поместить в электрическое поле (рис. 12), то под влиянием сил поля свободные электроны провод­ника придут в движение в сто­рону, противоположную направ­лению сил поля. В результате этого на одной стороне провод­ника возникает избыточный от­рицательный заряд, а на другой стороне проводника — избыточ­ный положительный заряд.

Результирующее электрическое поле внутри проводника умень­шается, а вместе с ним уменьшаются силы, действующие на перерас­пределение зарядов. Движение зарядов в проводнике прекратится, когда напряженность поля, вызванного индуцированными зарядами проводника ξ_вн, станет равной напряженности внешнего поля ξвп, а результирующая напряженность поля внутри проводника будет равна нулю.

Как было указано выше, диэлектрик отличается от проводника отсутствием свободных электронов (точнее, весьма малым количе­ством свободных электронов). Электроны атомов диэлектрика прочно связаны с ядром атома.

Диэлектрик, внесенный в электрическое поле, так же как и проводник, электризуется через влияние. Однако между электри­зацией проводника и диэлектрика имеется существенная разница. Если в проводнике под влиянием сил электрического поля свободные электроны передвигаются по всему объему проводника, то в диэлектрике свободного перемещения электрических зарядов про­изойти не может. Но в пределах каждой молекулы диэлектрика воз­никает смещение положительного заряда вдоль направления элект­рического поля и отрицательного заряда в обратном направлении. В результате на поверхности диэлектрика возникнут электрические заряды.

У диэлектриков второго класса молекулы и в отсут­ствие электрического поля образуют диполи. Такие диэлектрики называются полярными.

 

К ним относятся вода, аммиак, эфир, ацетон и т. д. У таких диэлектриков при отсутствии электрического поля диполи в пространстве расположены хаотически, и вследствие этого результирующее электрическое поле вокруг полярного диэлектрика равно нулю

 

 

23.Работа по перемещению заряда в электрическом поле. Потенциал и разность потенциалов. Связь между напряженностью и разностью потенциалов.

РАБОТА ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ПО ПЕРЕМЕЩЕНИЮ ЗАРЯДА

Электростатическое поле - эл. поле неподвижного заряда.
Fэл , действующая на заряд, перемещает его, совершая раборту.
В однородном электрическом поле Fэл = qE - постоянная величина

 

Работа поля (эл. силы) не зависит от формы траектории и на замкнутой траектории = нулю.

ПОТЕНЦИАЛ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

-энергитическая характеристика эл. поля.
- равен отношению потенциальной энергии заряда в поле к этому заряду.
- скалярная величина, определяющая потенциальную энергию заряда в любой точке эл. поля.

 

Величина потенциала считается относительно выбранного нулевого уровня.

РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ ( или иначе НАПРЯЖЕНИЕ )

- это разность потенциалов в начальной и конечной точках траектории заряда.

Напряжение между двумя точками ( U ) равно разности потенциалов этих точек и равно работе поля по перемещению единичного заряда.

СВЯЗЬ МЕЖДУ НАПРЯЖЕННОСТЬЮ ПОЛЯ И РАЗНОСТЬЮ ПОТЕНЦИАЛОВ

Чем меньше меняется потенциал на отрезке пути, тем меньше напряженность поля.
Напряженность эл. поля направлена в сторону уменьшения потенциала.

Напряженность внутри проводника = 0, значит и разность потенциалов внутри = 0.

24.Электроемкость. Конденсаторы. Энергия электрического поля.

- характеризует способность двух проводников накапливать электрический заряд.
- не зависит от q и U.
- 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 ).

 

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
eо - электрическая постоянная
e - диэлектрическая проницаемость диэлектрика

Включение конденсаторов в электрическую цепь

параллельное

последовательное

 

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 ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ КОНДЕНСАТОРА

Энергия конденсатора приблизительно равна квадрату напряженности эл. поля внутри конденсатора.
Плотность энергии эл. поля конденсатора:

 

                      V Постоянный электрический ток

25.Электрический ток. Сила тока. Плотность тока. Разность потенциалов, напряжение, ЭДС.

 

. Любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов называется ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ. При приложении внешнего электрического поля Е в проводнике начинается движение зарядов, т.е. возникает электрический ток. При этом положительные заряды движутся по полю, а отрицательные - против поля

.

Для количественного описания электрического тока вводится - СИЛА ТОКА – скалярная физическая велична, равная количеству электрического заряда, переносимосму за единицу времени через поперечное сечение проводника S.

- для постоянного тока, и

- для переменного тока.

Ток, сила и направление которого не изменяются со временем, называется постоянным.

ПЛОТНОСТЬ ТОКА - векторная физическая величина, численно равная силе тока, проходящего через единицу площади, перпендикулярной к току.

- для постоянного тока, и

- для переменного тока.

Источник тока характеризуется электродвижущей силой – Э. Д. С.

ЭДС определяется работой выполняемой сторонними силами по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутой цепи.

НАПРЯЖЕНИЕМ U на участке 1 -2 называется физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи

при

 

 

26.Источники постоянного тока, их виды.

Источник тока - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию.
В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.
Существуют различные виды источников тока:

Механический источник тока

- механическая энергия преобразуется в электрическую энергию.

.

Тепловой источник тока

- внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию.

Световой источник тока

- энергия света преобразуется в электрическую энергию.

 

.

Химический источник тока

- в результате химических реакций внутренняя энергия преобразуется в электрическую.

 

Например, гальванический элемент - в цинковый сосуд вставлен угольный стержень. Стержень помещен в полотняный мешочек, наполнен-ный смесью оксида марганца с углем. В элементе используют клейстер из муки на растворе нашатыря. При взаимодействии нашатыря с цинком, цинк приобретает отрицательный заряд, а угольный стержень - положительный заряд. Между заряженным стержнем и цинковым сосудом возникает электрическое поле. В таком источнике тока уголь является положительным электродом, а цинковый сосуд - отрицательным электродом.
Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Аккумуляторы - в автомобилях, электромобилях, сотовых телефонах.

 

27.Закон Ома для участка цепи и полной цепи. Сопротивление проводников .

Законы Ома

Закон Ома для однородного участка цепи.

Однородным называется участок не содержащий ЭДС.

Сила тока на однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно

пропорциональна сопротивлению цепи

- Закон Ома для полной цепи

 Закон Ома в дифференциальной форме.

σ - удельная электропроводность;

- Закон Ома в дифференциальной форме.

Плотность тока прямо пропорциональна напряженности электрического поля Е, Коэффициент пропорциональности σ - удельная электропроводность.

 

28.Последовательное и параллельное соединение проводников.

Включим в электрическую цепь в качестве нагузки ( потребителей тока) две лампы накаливания,
каждая из которых обладает каким-то определенным сопротивлением, и каждую из которых
можно заменить проводником с таким же сопротивлением.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

 

Расчет параметров электрической цепи
при последовательном соединении сопротивлений:

1. сила тока во всех последовательно соединенных участках цепи одинакова

2. напряжение в цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных участков,
равно сумме напряжений на каждом участке

3. сопротивление цепи, состоящей из нескольких последовательно соединенных участков,
равно сумме сопротивлений каждого участка

4. работа электрического тока в цепи, состоящей из последовательно соединенных участков,
равна сумме работ на отдельных участках

А = А1 + А2

5. мощность электрического тока в цепи, состоящей из последовательно соединенных участков,
равна сумме мощностей на отдельных участка

Р = Р1 + Р2

ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ

 

 

Расчет параметров электрической цепи
при параллельном соединении сопротивлений:

1. сила тока в неразветвленном участке цепи равна сумме сил токов
во всех параллельно соединенных участках

2. напряжение на всех параллельно соединенных участках цепи одинаково

3. при параллельном соединении сопротивлений складываются величины, обратные сопротивлению :

( R - сопротивление проводника,
1/R - электрическая проводимость проводника)

Если в цепь включены параллельно только два сопротивления, то:

( при параллельном соединении общее сопротивление цепи меньше меньшего из включенных сопротивлений )

29.Работа и мощность тока. Закон Джоуля - Ленца.

Работа тока - это работа электрического поля по переносу электрических зарядов вдоль проводника;

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого работа совершалась.

 

ЗАКОН ДЖОУЛЯ -ЛЕНЦА

При прохождениии тока по проводнику проводник нагревается, и происходит теплообмен с окружающей средой, т.е. проводник отдает теплоту окружающим его телам.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током в окружающую среду, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику.

По закону сохранения энергии количество теплоты, выделяемое проводником численно равно работе, которую совершает протекающий по проводнику ток за это же время.

В системе СИ:

[Q] = 1 Дж

 

МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА

- отношение работы тока за время t к этому интервалу времени.

 

 

30.Электрический ток в газах (самостоятельная и несамостоятельная проводимости, типы разрядов).

В обычных условиях газ - это диэлектрик, т.е. он состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей эл.тока.
Газ-проводник - это ионизированный газ. Ионизированный газ обладает электронно-ионной проводимостью.

Воздух является диэлектриком в линиях электропередач, в воздушных конденсаторах, в контактных выключателях.

Воздух является проводником при возникновении молнии, электрической искры, при возникновении сварочной дуги.

Газовый разряд - это эл.ток в ионизированных газах.
Носителями зарядов являются положительные ионы и электроны. Газовый разряд наблюдается в газоразрядных трубках (лампах) при воздействии электрического или магнитного поля.

 

 

Существует самостоятельный и несамостоятельный газовый разряд.

Несамостоятельный газовый разряд

- если действие ионизатора прекратить , то прекратится и разряд.

Когда разряд достигает насыщения - график становится горизонтальным. Здесь электропроводность газа вызвана лишь действием ионизатора.

Самостоятельный газовый разряд

- в этом случае газовый разряд продолжается и после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации ( = ионизации эл. удара);

Самостоятельный газовый разряд бывает 4-х типов:

1. тлеющий - при низких давлениях(до нескольких мм рт.ст.) -наблюдается в газосветных трубках и газовых лазерах.
2. искровой - при нормальном давлении и высокой напряженности электрического поля (молния - сила тока до сотен тысяч ампер).
3. коронный - при нормальном давлении в неоднородном электрическом поле ( на острие ).
4. дуговой - большая плотность тока, малое напряжение между электродами ( температура газа в канале дуги -5000-6000 градусов Цельсия); наблюдается в прожекторах, проекционной киноаппаратуре.

Эти разряды наблюдаются:

тлеющий - в лампах дневного света;
искровой - в молниях;
коронный - в электрофильтрах, при утечке энергии;
дуговой - при сварке, в ртутных лампах.

 

 

31.Электрический ток в полупроводниках (собственная и примесная проводимости полупроводников).

Полупроводник -

- вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры., а это значит, что электрическая проводимость (1/R ) увеличивается.
- наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

1) электронная ( проводимость "n " - типа)

При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны - сопротивление уменьшается.
2) дырочная ( проводимость " p" - типа )

При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном - "дырка".
Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда.
Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля.

 

и называется электронно-дырочной проводимостью.

Полупроводники при наличии примесей

- у них существует собственная + примесная проводимость
Наличие примесей сильно увеличивает проводимость.
При изменении концентрации примесей изменяется число носителей эл.тока - электронов и дырок.
Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

1) донорные примеси ( отдающие )

- являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике.

 

2) акцепторные примеси ( принимающие )

- создают "дырки" , забирая в себя электроны.

 

 

32.Электрический ток в растворах и расплавах электролитов (законы Фарадея, электролиз и его применение).

Растворы солей, кислот и оснований называются электролитами. Химически чистая вода почти не проводит электрического тока, но если растворить в воде какую-нибудь соль, например медный купорос, то ток через нее пойдетЭлектрической диссоциацией называется расщепление в воде солей, кислот и щелочей на положительные и отрицательные ионы

Электронная теория позволяет рассчитать массу вещества, выделившегося на электродах при электролизе. Она равна массе одного иона m₀, умноженной на число ионов N, которые осели на электродах

Величины N_A и е являются универсальными постоянными, а М и z постоянны для данного вещества. Поэтому выражение

- величина, постоянная для данного вещества.

Масса вещества, выделившегося на электроде, пропорциональна заряду, прошедшему через раствор (или пропорциональна силе тока и времени). Эта зависимость носит название закона Фарадея.

Коэффициент k называется электрохимическим эквивалентом данного вещества. Он выражается в килограммах на кулон (кг/Кл).

Закон Фарадея позволяет определить заряд одновалентного иона:

Электролиз получил широкое применение в технике:

• получение щелочных и щелочноземельных металлов (алюминия, магния, бериллия и др.);
• покрытие трудно окисляемыми металлами деталей для предохранения их от коррозии;
• гальванопластика - изготовление рельефных металлических копий предметов и др.

 

VI Магнетизм

33.Магнитное поле, магнитная индукция, магнитный поток.

Магнитным полем называется материя особого рода, важнейшее свойство которой заключается в том, что на движущийся заряд и на магнитную стрелку, внесенные в поле, действует сила. Магнитное поле создают постоянные магниты и движущиеся заряды, т. е. токи.

МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

-векторная физическая величина, характеризующая магнитное поле.

 

Вектор магнитной индукции всегда направлен по касательной к магнитной линии

Расчетная формула:

где F- сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током ( H );
I - сила тока в проводнике ( A );
l - длина проводника ( м ).

Единица измерения индукции магнитного поля в СИ:
[ B ] = 1Тл ( тесла).

МАГНИТНЫЙ ПОТОК

Контур, помещенный в однородное магнитное поле, пронизывается магнитным потоком
( потоком векторов магнитной индукции).

 

Ф - магнитный поток, пронизывающий площадь контура, зависит от
величины вектора магнитной индукции, площади контура и его ориентации относительно линий индукции магнитного поля.

Если вектор магнитной индукции перпендикулярен площади контура, то магнитный поток максимальный.

 

 

34.Магнитные свойства веществ. Диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм.

 

Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. У парамагнетиков также магнитная восприимчивость не зависит от напряжённости поля, но при этом она положительна. То есть если сблизить парамагнетик с постоянным магнитом, то возникнет сила притягивания. К таким магнетикам относятся, кислород окись азота некоторые металлы соли железе и кобальта. Ферримагнетики отличаются тем, что в них присутствует некомпенсированный антиферромагнетизм. Так же как и у ферромагнетиков, их магнитная восприимчивость зависит от напряжённости магнитного поля. Но при этом они имеют некоторые отличия. К таким веществам относятся разные оксидные соединения. При этом все рассмотренные магнитные материалы можно разделить еще на две категории. Это магнитомягкие и магнитотвердые материалы. К магнитотвердым относятся такие материалы, у которых высокое значение коэрцептивной силы. Чтобы их перемагнитить необходимо создать сильное магнитное поле. Такие материалы применяются для создания постоянных магнитов. Магнитомягкие материалы наоборот имеют малую коерцептивную силу и способны войти в насыщение при малых магнитных полях. Также у них узкая петля гистерезиса и малые потери на перемагничивание. Именно поэтому из этих материалов изготавливают сердечники для электрических машин, работающих на переменном токе. Таких как трансформаторы тока и напряжения. Или асинхронные двигатели или генераторы.

35.Действие магнитного поля на проводник с током. Закон Ампера. Закон Био-Саварра-Лапласа.

При рассмотрении свойств магнитостатического поля будем исходить из соотношения для элементарной силы взаимодействия двух отрезков контуров и , по которым текут токи и соответственно и которые находятся на расстоянии друг от друга Закон Ампера является основой физики магнитных явлений подобно тому, как закон Кулона является основой физики электрических явлений. . ). Это предположение Ампера, как и предположение Кулона о существовании магнитных зарядов, оказалось несостоятельным. Структура закона Ампера позволяет ввести в рассмотрение дифференциал индукции магнитного поля   где -магнитная постоянная, - ток, создающий вокруг себя магнитное поле, - вектор, проведенный из элемента контура с током в точку наблюдения. Соотношение (3.2) называют законом Био-Савара-Лапласа.       что совпадает с выражением При использовании закона Био-Савара-Лапласа и следствий из него или удобно перейти к описанию положения элемента тока и точки наблюдения с помощью понятия "радиус-вектор". Если - радиус вектор элемента тока (или ), а -радиус-вектор точки наблюдения, то   - орты декартовой системы координат.   Магнитное поле элемента контура с током по закону Био-Савара-Лапласа.

36.Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.

Сила Лоренца

- сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся электрически заряженную частицу.

где q - заряд частицы;
V - скорость заряда;
B - индукции магнитного поля;
a - 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

.

 

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Магнитные свойства вещества объясняются согласно гипотезе Ампера циркулирующими внутри любого вещества замкнутыми токами:

внутри атомов, вследствие движения электронов по орбитам, существуют элементарные электрические токи, которые создают элементарные магнитные поля.
Поэтому:
1. если вещество не обладает магнитными свойствами - элементарные магнитные поля несориентированы ( из-за теплового движения);

2. если вещество обладает магнитными свойствами - элементарные магнитные поля одинаково направлены (сориентированы) и образуется собственное внутреннее магнитное поле вещества.

.

Магнитная проницаемость вещества

Если проводник с током создает в вакууме магнитное поле с магнитной индукцией Во, то в другой среде магнитное поле, созданное этим же проводником с током будет иметь индукцию В.

37.Явление электромагнитной индукции и самоиндукции.

САМОИНДУКЦИЯ

Каждый проводник, по которому протекает эл.ток, находится в собственном магнитном поле.

 

При изменении силы тока в проводнике меняется м.поле, т.е. изменяется магнитный поток, создаваемый этим током. Изменение магнитного потока ведет в возникновению вихревого эл.поля и в цепи появляется ЭДС индукции.

 

Это явление называется самоиндукцией.
Самоиндукция - явление возникновения ЭДС индукции в эл.цепи в результате изменения силы тока.
При замыкании в эл.цепи нарастает ток, что вызывает в катушке увеличение магнитного потока, возникает вихревое эл.поле, направленное против тока, т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая нарастанию тока в цепи ( вихревое поле тормозит электроны).

При размыкании эл.цепи ток убывает, возникает уменьшение м.потока в катушке, возникает вихревое эл.поле, направленное как ток ( стремящееся сохранить прежнюю силу тока) , т.е. в катушке возникает ЭДС самоиндукции, поддерживающая ток в цепи.
В результате Л при выключении ярко вспыхивает.

38.Принцип действия трансформатора.

В основу работы трансформатора положен принцип электромагнитного взаимодействия двух или, в общем случае, любого числа контуров (обмоток), неподвижных друг относительно друга. Количественно это взаимодействие определяется уравнением

где e — мгновенное значение индуктируемой в контуре ЭДС; ψ- потокосцепление; w — число витков контура; Φ — магнитный поток взаимной индукции.

Рис. 1 — Принципиальная схема простейшего трансформатора

Принципиальная схема простейшего однофазного двухобмоточного трансформатора приведена на рис.1. Работает он следующим образом. При подключении первичной обмотки с числом витков w₁ к сети переменного тока с синусоидальным напряжением u₁ в обмотке возникает ток i₀, называемый током холостого хода и создающий магнитодвижущую силу (МДС) F₀ = i₀w₁, под действием которой по сердечнику замыкается синусоидально изменяющийся во времени магнитный поток Φ₀. Этот поток называют основным магнитным потоком, или магнитным потоком взаимоиндукции.

 

VII Волновые и квантовые свойства света

39.Дифракция света. Дифракционная решетка.

Дифракция волн заключается в огибании волнами препятствий или в отклонении волн в область геометрической тени при прохождении через отверстия при условии, что линейные размеры этих препятствий порядка или меньше длины волныНаблюдение дифракции световых волн возможно только тогда, когда размеры препятствий будут порядка м (для видимого света). Простой рисунок показывает, как меняется фронт волны, прошедшей через щель, при сужении этой щели

 

Дифракционная решетка Более совершенным прибором, позволяющим проводить спектральный анализ света, является дифракционная решетка. Это устройство бывает двух типов: пропускающие (прозрачные щели, чередующиеся с непрозрачными промежутками) и отражательные (участки, отражающие свет, чередуются с участками, рассеивающими свет). И в том и в другом случае на поверхность наносится большое количество щелей или рассеивающих свет полос, причем число штрихов доходит до 103 на 1 мм, а общее число штрихов ~ 105. Расстояние между двумя соседними щелями называется периодом решетки. Из рисунка, показывающего участок дифракционной решетки, видно, что две волны, идущие от краев двух соседних щелей, интерферируют конструктивно, если d sinqm = ml, m = 0, 1, 2, ...

40.Интерференция света. Методы получения когерентных волн. Интерферометр Майкельсона.

Интерфере ́нция све ́та — перераспределение интенсивности света в результате наложения (суперпозиции) нескольких когерентных световых волн. Это явление сопровождается чередующимися в пространстве максимумами и минимумами интенсивности. Её распределение называется интерференционной картиной.

Интерферометры – измерительные приборы, в которых используется интерференция волн. Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина непосредственно измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственно разделяется на два или большее число когерентных пучков, которые проходят различные оптические пути, а затем сводятся вместе..
Методы получения когерентных пучков в интерферометрах очень разнообразны, поэтому существует большое число различных конструкций интерферометров. По числу интерферирующих пучков света оптические интерферометры можно разбить на многолучевые и двухлучевые..
Интерферометр Майкельсона широко используется в физических измерениях и технических приборах. С его помощью впервые была измерена абсолютная величина длины света, доказана независимость скорости света от движения Земли. Перемещая одно из зеркал интерферометра Майкельсона, получают возможность плавно изменять ?, а зависимость интенсивности центрального пятна от ?
Сочетание интерферометра Майкельсона и призменного монохроматора (рис. 2, а) – компаратор интерференционный Кёстерса – применяется для абсолютных и относительных измерений длин концевых мер (измерительных плиток) сравнением их с длиной волны света или между собой с точностью ? 0,025 мкм, а сочетание его с лазером (при стабилизации частоты ? 2?10-9) позволяет с такой же абсолютной точностью измерять длины порядка 10 м. При замене плоских зеркал в интерферометре Майкельсона отражающими триэдрами его используют для измерения углов с точностью до 10-6 рад. Сочетание интерферометра Майкельсона с микроскопом (микроинтерферометр В. П. Линника) позволяет по виду интерференционной картины определять величину и форму микронеровностей металлических поверхностей.

Точность измерения показателей преломления с помощью интерференционных рефрактометров очень высока и достигает 7-го и даже 8-го десятичного знака.
Для измерения угловых размеров звезд и угловых расстояний между двойными звездами применяется звездный интерферометр Майкельсона (рис. 6). Свет от звезды, отразившись от зеркал M1, M2, M3, M4, образует в фокальной плоскости телескопа интерференционную картину.

 

41.Поляризация света. Закон Брюстера. Закон Малюса.

 Свет — это поперечная электромагнитная волна: векторы напряженности E⃗ электрического поля и индукции B⃗ магнитного поля волны взаимно перпендикулярны и колеблются перпендикулярно вектору скорости υ⃗ распространения волны. Поперечность световых волн нарушает их осевую симметрию относительно направления распространения, т.е. световая волна имеет поперечную анизотропию. Физической характеристикой поперечной анизотропии является их поляризация. Свет, излучаемый каким-то источником, представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы же излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятными направлениями колебаний светового вектора E⃗

 пропускает большую или меньшую его часть, которая соответствует компоненте E⃗ , параллельной оси второй пластинки турмалина. Из рисунка 17.26 видно, что

E=E0cosα.

Отсюда следует, что E2=E20cos2α. Так как интенсивность света пропорциональна квадрату напряженности электрического поля

I∼E2

то I=I0cos2α. Последнее выражение и представляет собой закон Малюса.

 

Пластинка Т₂, служащая для анализа степени поляризации света, называется анализатором.

Поляризатор по своей конструкции ничем не отличается от анализатора. Разница в функциях: поляризатор выделяет из естественного света пучок с одним направлением колебаний вектора E⃗ , а анализатор определяет, каково направление этих колебаний. Именно поэтому поляризаторы и анализаторы носят общее название поляроиды.

.

 Явление двойного лучепреломления, т.е. раздваивания каждого падающего на двоякопреломляющий кристалл светового пучка, наблюдается при переходе света из изотропной среды в анизотропную.

Явление поляризации света применяют также в декоративных целях: при оформлении витрин, устройстве театральных декораций и т.д.

 

 42.Фотоэффект. Законы фотоэффекта.

Фотоэффе́кт — это испускание электронов вещества под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения). В конденсированных веществах (твёрдых и жидких) выделяют внешний и внутренний фотоэффект.

Законы фотоэффекта:

Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл.

Согласно 2-ому закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света ν₀ (или максимальная длина волны λ₀), при которой ещё возможен фотоэффект, и если ν₀, то фотоэффект уже не происходит.

Уравнение Эйнштейна

Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка.

 

 43.Давление света. Опыты Лебедева.

Давлением света называется давление, которое производят электромагнитные световые волны, падающие на поверхность какого-либо тела.

Предсказанное Максвеллом световое давление было экспериментально обнаружено и измерено русским физиком П. Н. Лебедевым. В 1900 г. он измерил давление света на твердые тела, а в 1907—1910 гг. — давление света на газы.

Прибор, созданный Лебедевым для измерения давления света, представлял собой очень чувствительный крутильный динамометр (крутильные весы). Его подвижной частью являлась подвешенная на тонкой кварневой нити легкая рамка с укрепленными на ней крылышками — светлыми и черными дисками толщиной до 0,01 мм. Крылышки делали из металлической фольги (рис. 19.10). Рамка была подвешена внутри сосуда, из которого откачали воздух.

Свет, падая на крылышки, оказывал на светлые и черные диски разное давление. В результате на рамку действовал вращающий момент, который закручивал нить подвеса. По углу закручивания нити определялось давление света.

Трудности измерения светового давления вызывались его исключительно малым значением и существованием явлений, сильно влияющих на точность измерений. К их числу относилась невозможность полностью откачать воздух из сосуда, что приводило к возникновению так называемого радиометрического эффекта.

Хотя световое давление очень мало в обычных условиях, его действие, тем не менее, может оказаться существенным в других условиях. Внутри звезд при температуре в несколько десятков миллионов кельвин давление электромагнитного излучения должно достигать громадного значения. Силы светового давления наряду с гравитационными силами играют существенную роль в процессах, происходящих внутри звезд.

 

44.Опытные законы излучения абсолютно черного тела (закон Стефана-Больцмана, закон Вина).

Абсолютно чёрное тело — физическая абстракция, применяемая в термодинамике и оптике. Идеализированное тело, поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение во всех диапазонах и ничего не отражающее. Несмотря на название, абсолютно чёрное тело само может испускать электромагнитное излучение любой частоты и визуально иметь определённый цвет

Практическая модель

Наиболее чёрные реальные вещества, например, сажа, поглощают до 99 % падающего излучения (т. е. имеют альбедо, равное 0,01) в видимом диапазоне длин волн, однако инфракрасное излучение поглощается ими значительно хуже. Среди тел Солнечной системы свойствами абсолютно чёрного тела в наибольшей степени обладает Солнце.

Файл:Модель АЧТ.jpg

Модель абсолютно черного тела

Так как абсолютно чёрных тел в природе не существует, в физике для экспериментов используется реальная модель такого тела. Модель представляет из себя замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. При нагревании этой полости через отверстие регистрируется появляющееся собственное видимое излучение (свет).

Законы излучения абсолютно чёрного тела

Классический подход

Изучение законов излучения абсолютно чёрного тела явилось одной из предпосылок появления квантовой механики.

Первый закон излучения Вина

В 1893 году Вильгельм Вин, исходя из представлений классической термодинамики, вывел следующую формулу:

• uν=ν3f(νT),

где:

• uν — плотность энергии излучения
• ν — частота излучения
• T — температура излучающего тела
• f — функция, зависящая только от частоты и температуры. Вид этой функции невозможно установить, исходя только из термодинамических соображений.

Первая формула Вина справедлива для всех частот. Любая более конкретная формула (например, закон Планка) должна удовлетворять первой формуле Вина.

Из первой формулы Вина можно вывести закон смещения Вина (закон максимума) и закон Стефана-Больцмана, но нельзя найти значения постоянных, входящих в эти законы.

Исторически именно первый закон Вина назывался законом смещения, но в настоящее время термином «закон смещения Вина» называют закон максимума.

Второй закон излучения Вина

В 1896 году Вин на основе дополнительных предположений вывел второй закон:

• uν=C1ν3e−C2νT
• где uν — плотность энергии излучения
• ν — частота излучения
• T — температура излучающего тела
• C1,C2 — константы.

Опыт показывает, что вторая формула Вина справедлива лишь в пределе высоких частот (малых длин волн). Она является частным конкретным случаем первого закона Вина.

Закон Стефана — Больцмана

Общая энергия теплового излучения определяется законом Стефана — Больцмана:

j=σT4,

где j — мощность на единицу площади излучающей поверхности, а

σ=2π5k415c2h3=π2k460ℏ3c2≃5,670400(40)⋅10−8

Вт/(м²·К⁴) — постоянная Стефана — Больцмана.

Таким образом, абсолютно чёрное тело при T = 100 K излучает 5,67 ватт с квадратного метра своей поверхности. При температуре 1000 К мощность излучения увеличивается до 56,7 киловатт с квадратного метра.

Закон смещения Вина

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина:

λmax=0,0028999T

где T — температура в кельвинах, а λmax — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.

Так, если считать в первом приближении, что кожа человека близка по свойствам к абсолютно чёрному телу, то максимум спектра излучения при температуре 36 °C (309 К) лежит на длине волны 9400 нм (в инфракрасной области спектра).

Видимый цвет абсолютно чёрных тел с разной температурой представлен на диаграмме.

.

 

45.Спектр излучения водорода. Спектральные линии (Бальмера, Лаймана, Пашена.)

Простейший из атомов, атом водорода явился своеобразным тест-объектом для теории Бора. Ко времени создания теории он был хорошо изучен экспериментально. Было известно, что он содержит единственный электрон. Ядром атома является протон – положительно заряженная частица, заряд которой равен по модулю заряду электрона, а масса в 1836 раз превышает массу электрона. Еще в начале XIX века были открыты дискретные спектральные линии в видимой области излучения атома водорода (так называемый линейчатый спектр).

Для серии Бальмера m = 2, n = 3, 4, 5, ... . Для ультрафиолетовой серии (серия Лаймана) m = 1, n = 2, 3, 4, ... . Постоянная R в этой формуле называется постоянной Ридберга. Ее численное значение R = 3,29·10¹⁵ Гц. До Бора механизм возникновения линейчатых спектров и смысл целых чисел, входящих в формулы спектральных линий водорода (и ряда других атомов), оставались непонятными.

где e – элементарный заряд, ε₀ – электрическая постоянная. Скорость электрона υ и радиус стационарной орбиты r_n связаны правилом квантования Бора. Отсюда следует, что радиусы стационарных круговых орбит определяются выражением

Спектральная линия с такой частотой действительно была обнаружена в ультрафиолетовой части спектра излучения атомов ртути.

VIII Атомная и ядерная физика

46.Связь между корпускулярными и волновыми свойствами частиц. Формула де-Бройля.

Корпускулярные свойства света

 

1905 г. Эйнштейн дал теоретическое объяснение фотоэффекту, за что в 1921 г. получил Нобелевскую премию.

По предположению Эйнштейна свет состоит из фотонов, энергия которых зависит только от частоты и рассчитывается по формуле Планка: . Свет способен вырвать электрон из вещества, если у фотона для этого достаточно энергии. При этом не имеет значения количество фотонов, которые падают на освещенную поверхность. Следовательно интенсивность света не имеет значения для начала фотоэффекта.

 

Гипотеза де Бройля и волновые свойства других частиц

 

В 1924 г. де Бройль высказал гипотезу, что фотоны не являются исключением. Другие частицы также по мысли де Бройля должны обладать волновыми свойствами. Причем связь между энергией и импульсом, с одной стороны, и длиной волны и частотой, с другой стороны, должна быть точно такая же, как для электромагнитных фотонов.

Для фотонов , . По предположению де Бройля с частицей должна быть связана волна вещества с частотой  и длиной волны .

Что это за волна и в чем ее физический смысл, де Бройль сказать не мог. На сегодняшний день принято считать, что волна де Бройля имеет вероятностный смысл и характеризует вероятность нахождения частицы в различных точках пространства.

 

47.Естественная радиоактивность.

Естественная радиоактивность

Естественная радиоактивность обусловлена радиоактивными изотопами (нуклидами) - естественными радионуклидами, содержащимися в земной коре и гидросфере и образовавшимися

• в результате нуклеосинтеза еще при возникновении Земли и не распавшихся до настоящего времени (премордиальные радионуклиды). Периоды полураспада премордиальных нуклидов сопоставимы с возрастом Земли;
• в результате ядерных реакций под действием первичных и вторичных космических лучей, постоянно идущих в атмосфере, а частично также в литосфере и в метеоритах (космогенные радионуклиды). Например ¹⁴N(n,p)¹⁴C, ¹⁴N(n,³H)¹²C

Премордиальные нуклиды ²³⁶U (A = 4n),* ²³⁸U (A = 4n + 2), ²³⁵U (A = 4n + 3) образуют 3 радиоактивных семейства (ряда) последовательных распадов. К ним с некоторой натяжкой, так как изотопы этого ряда успели распасться за время существования Земли, можно отнести четвертый ряд, который начинается c ²³⁷Np (A = 4n + 1). В радиоактивных семействах альфа-распады перемежаются бета-распадами, так как при альфа-распадах конечные ядра оказываются все дальше от линии бета-стабильности, т.е. перегружены нейтронами. При уменьшении массового числа для бета-стабильных ядер отношение количества нейтронов и протонов должно уменьшаться. После ряда последовательных распадов образуются стабильные ядра с близким или равным магическим числам количеством протонов и нейтронов (Z=82, N=126) соответственно ²⁰⁸Pb, ²⁰⁶Pb, ²⁰⁷Pb, ²⁰⁹Bi. Кроме того, к естественным радионуклидам относятся и долгоживущие радионуклиды середины таблицы Менделеева ⁴⁰K, ⁸⁷Rb и др. (см. табл. 1).
Из космогенных радионуклидов основной вклад в естественную радиоактивность вносят тритий (³H) (общий запас трития в биосфере -1.3·10¹⁸ Бк.) и ¹⁴C (общее содержание 8.5·10¹⁸ Бк

48.Радиоактивность. Закон радиоактивного распада.

Явление радиоактивного распада заключается в самопроизвольном (спонтанном) превращении атомных ядер некоторых элементов (например, урана, тория, радия и др.) в ядра атомов других элементов с испусканием a - или b - частиц, сопровождающимся g - излучением. a - частицы представляют собой ядра гелия , b - частицы – электроны или позитроны (антиэлектроны), g - лучи – это коротковолновое электромагнитное излучение, обладающее в бóльшей степени корпускулярными, чем волновыми свойствами.

Радиоактивность наблюдается как у изотопов, встречающихся в природе в естественном состоянии (естественная радиоактивность), так и у искусственно полученных изотопов (искусственная радиоактивность).

Радиоактивное излучение производит ионизирующее действие на вещество (сюда относится и его биологическое действие), потемнение фотоэмульсии, вызывает свечение некоторых фосфоресцирующих веществ.

Радиоактивный распад – это свойство атомного ядра, определяющееся только его внутренним состоянием и не зависящее от внешних условий. Поэтому для данного ядра вероятность распада в единицу времени l является постоянной величиной. Следовательно, число ядер dN, распадающихся за время dt, определяется только общим количеством радиоактивных ядер N, имеющихся в данный момент времени:

Знак “минус” указывает на то, что величина dN отрицательна, так как число нераспавшихся ядер N со временем убывает. Интегрируя уравнение (46), получаем

Используя начальное условие N=N₀ при t=0 и потенцируя, получим закон радиоактивного распада:

согласно которому число ядер радиоактивного изотопа уменьшается с течением времени по экспоненциальному закону. Величина l называется постоянной радиоактивного распада.

 

 

49.Строение атома водорода. Теория Бора.

Опыты подтвердили правильность ядерной модели атома Резерфорда, поэтому ученым пришлось признать ограниченность применения законов классической физики.
Первым решился на это признание выдающийся физик XX в. датский ученый Нильс Бор. В 1913 г. он, основываясь на разрозненных экспериментальных фактах, с помощью гениальной интуиции сформулировал в виде постулатов основные положения новой теории.

Изучая противоречия модели атома Резерфорда законам классисической физики Нильс Бор в 1913 г. выдвигает "постулаты", определяющие строение атома и условия испускания и поглощения им электромагнитного излучения.

Постулаты Бора показали, что атомы "живут" по законам микромира.

 

 

Модель атома водорода по Бору

Свои постулаты Н. Бор применил для построения теории строения простейшего атома (атома водорода).

Согласно этой теории Бор смог вычислить для атома водорода:

- возможные радиусы орбит электрона и размеры атома
- энергии стационарных состояний атома
- частоты излучаемых и поглощаемых электромагнитных волн.

 

В спектре водорода обнаружены следующие серии:

n = I - серия Лаймана - ультрафиолетовое излучение
n = 2 - серия Бальмера - видимое излучение
n = 3 - серия Пашена - инфракрасное излучение и т.д.

Однако, надо помнить, что для атомов с большим числом электронов ( больше 1) расчеты по теории Бора неприменимы.

P.S. Надо помнить!

Движение электрона в атоме мало похоже на движение планет по орбитам.
Точнее, электрон на орбите можно назвать электронным облаком, имеющим разную плотность.
Орбитой электрона в атоме называется геометрическое место точек, в которых с наибольшей вероятностью можно обнаружить электрон.

Энергия в атомной физике измеряется в электронвольтах.
1эВ – это энергия электрона, проходящего разность потенциалов в 1В.
1эВ = 1,6 х 10 -19 Дж

 

50.Атомное ядро, его строение. Протоны, нейтроны, изотопы.

 

Атомное ядро ́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная его масса (более 99,9 %). Ядро заряжено положительно, заряд ядра определяет химический элемент, к которому относят атом. Размеры ядер различных атомов составляют несколько фемтометров, что в более чем в 10 тысяч раз меньше размеров самого атома.

Атомные ядра изучает ядерная физика.

Атомное ядро состоит из нуклонов — положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов, которые связаны между собой при помощи сильного взаимодействия. Протон и нейтрон обладают собственным моментом количества движения (спином), равным ^{[сн 1]} и связанным с ним магнитным моментом.

Атомное ядро, рассматриваемое как класс частиц с определённым числом протонов и нейтронов, принято называть нуклидом.

Количество протонов в ядре называется его зарядовым числом — это число равно порядковому номеру элемента, к которому относится атом, в таблице Менделеева. Количество протонов в ядре определяет структуру электронной оболочки нейтрального атома и, таким образом, химические свойства соответствующего элемента. Количество нейтронов в ядре называется его изотопическим числом . Ядра с одинаковым числом протонов и разным числом нейтронов называются изотопами. Ядра с одинаковым числом нейтронов, но разным числом протонов — называются изотонами. Термины изотоп и изотон используются также применительно к атомам, содержащим указанные ядра, а также для характеристики нехимических разновидностей одного химического элемента. Полное количество нуклонов в ядре называется его массовым числом ( ) и приблизительно равно средней массе атома, указанной в таблице Менделеева. Нуклиды с одинаковым массовым числом, но разным протон-нейтронным составом принято называть изобарами.

Как и любая квантовая система, ядра могут находиться в метастабильном возбуждённом состоянии, причём в отдельных случаях время жизни такого состояния исчисляется годами. Такие возбуждённые состояния ядер называются ядерными изомерами^[1][2][3].

 

 

51.Искусственная радиоактивность. Ядерные реакции (примеры).

Открытие атомного ядра Э. Резерфордом в 1911 году и последующее изучение ядерных явлений радикально изменило наше представление об окружающем мире, обогатило науку новыми концепциями, явилось началом исследования субатомной структуры материи. Однако само атомное ядро заявило о себе гораздо раньше. В 1896 г. A. Беккерель неожиданно обнаружил неизвестное ранее излучение, которое испускали соли урана. Тогда считалось, что это излучение связано с атомными процессами. Лишь с открытием атомных ядер стало ясно, что это внутриядерный процесс – изменение ядер химических элементов. Так было открыто явление радиоактивности. Исследуя излучение урановой соли, Э. Резерфорд (1898 г.) показал, что оно состоит из двух компонент. Сильно поглощаемое тонкими фольгами излучение, названное α‑излучением. Позже было установлено, что оно состоит из ядер атомов 4He. Более слабо поглощаемое излучение, названное β-излучением. Было установлено, что частицы этого излучения имеют массу электрона. Известны 3 типа β-излучения: β+-распад, β--распад, e-захват. Через два года (1900 г.) П. Виллард обнаружил ещё одну нейтральную компоненту излучения урановой соли, названную γ-излучением. Вслед за открытием радиоактивного урана U (Z = 92) была обнаружена радиоактивность тория Th (Z = 90). В 1898 г. супруги М. и П. Кюри открыли два новых радиоактивных элемента – полоний Po (Z = 84) и радий Ra (Z = 88). В 1903 г. Э. Резерфорд и Ф. Содди выяснили, что испускание α‑лучей сопровождается превращением химических элементов. Химический элемент радий Ra превращался в химический элемент радон Rn, уран U превращался в торий Th.

 

 

---

Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 87; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!