Изображение магнитных полей.

Графически магнитное поле изображают линиями магнитной индукции - это воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора В. С помощью маленьких магнитных стрелок, роль которых могут играть железные опилки линии магнитной индукции можно сделать видимыми. Железные опилки расположатся вдоль линий индукции, позволяя увидеть их. Опыт показал, что для любых контуров с током и для постоянных магнитов любой формы линии магнитной индукции замкнуты, т. е. нигде не начинаются и нигде не заканчиваются, этим они отличаются от линий напряженности электрического поля. Замкнутость линий индукции означает, что линии не связаны с зарядами, что магнитных зарядов, подобных электрическим зарядам в природе не существует. Магнитное поле называют вихревым полем, потому что линии индукции у него замкнутые. Условились считать, что линии индукции выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс, замыкаясь внутри магнита.

 

2. Электролиз. Закон электролиза.

Электролиз-выделение вещества на электродах, погруженных в раствор электролита, при прохождении электрического тока называется электролизом. Достигнув катода, катионы присоединяют к себе электроны и превращаются в нейтральные молекулы. Анионы, достигнув анода и отдав ему избыточные электроны, также превращаются в нейтральные молекулы. В итоге на электродах выделяется чистое вещество.

В начале 30-х годов 19 в. М. Фарадей экспериментально установил 2 закона электролиза.

1 закон электролиза: Масса вещества, выделяющегося на электродах, пропорциональна заряду, прошедшему через электролит m= kQ; или m=kIt, где

k- электрохимический эквивалент вещества, его величина зависит от природы вещества. Электрохимический эквивалент численно равен массе вещества, выделяющейся на электроде при токе 1А за 1сек. =кг/А·с.

2 закон электролиза: Электрохимический эквивалент вещества пропорционален молярной массе вещества и обратно пропорционален валентности вещества.: k= , в данной формуле коэффициентом пропорциональности является величина, обратная постоянной Фарадея (1/F)

Объединим оба закона одной формулой: m= , или m= , можно сделать вывод: постоянная Фарадея равна заряду, который проходит через электролит при электролизе 1моль одновалентного вещества. Опыт показал, что F=96500 Кл/моль.

Зная значение постоянной Фарадея можно определить значение элементарного заряда e= , N_A- постоянная Авогадро.

Объединенный закон Фарадея можно получить теоретически. Он будет иметь вид:

m= , отсюда e= .

 

Билет № 10

1. Магнитное поле прямого тока, кругового тока, соленоида.

Магнитное поле прямого тока имеет вид концентрических окружностей, расположенных в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Направление линий индукции определяют по правилу правого винта (буравчика):Если поступательное движение правого винта (буравчика) совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения головки винта (рукоятки буравчика) показывает направление линий магнитной индукции.

Величину индукции магнитного поля В, созданного током I в прямом проводе, находящемся на расстоянии R от проводника вычисляют по закону Био- Савара –Лапласа, который для этого случая имеет вид: В=μμ_{0 ;} где μ- магнитная проницаемость вещества (величина, определяющая магнитные свойства вещества, для вакуума μ=1); μ₀-магнитная постоянная (μ₀=4π·10^-7 Гн/м)

Магнитное поле кругового тока и соленоида.

Правило правого винта для кругового тока: Если вращать правый винт по направлению тока в контуре, то направление поступательного движения винта укажет направление линий магнитной индукции внутри контура. Индукция в центре кругового контура вычисляется по формуле: В= μμ_{0 ,;} где R- радиус контура.

Соленоид представляет собой длинную катушку с током. Внутри соленоида линии индукции параллельны и огибают его с наружной стороны. Индукция магнитного поля максимальна в средней части соленоида и равна: В= μμ_{0 ,} где N-число витков соленоида. На концах соленоида индукция слабее примерно в 2 раза.

 

2. Волновой процесс. Продольные и поперечные волны. Длина волны, скорость волн.

Колебания, возбужденные в какой либо точке среды (твердой, жидкой или газообразной), распространяются в ней с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, передаваясь от одной точки среды к другой. Процесс распространения колебаний в сплошной среде называется волновым процессом или волной. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия, Вместе с волной от частицы к частице среды передается лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества.

Среди разнообразных волн, встречающихся в природе и технике, выделяются следующие их типы: волны на поверхности жидкости, упругие (механические) и электромагнитные волны.

Механическими волнами называются механические возмущения, распространяющиеся упругой среде. Упругие волны бывают продольные и поперечные. В продольных волнах частицы среды колеблются в направлении распространения волны, а в поперечных – в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны.

Продольные волны могут возбуждаться в средах, в которых возникают упругие силы при деформациях сжатия и растяжения. Примером продольной волны служат звуковые волны. Поперечные волны могут возбуждаться в среде, в которой возникают упругие силы при деформации сдвига. В жидкостях и газах возникают только продольные волны, а в твердых телах и продольные и поперечные. Скорость распространения механических волн зависит от свойств среды (модуля упругости и плотности) , Е- модуль упругости, - плотность вещества.

Упругая волна называется гармонической, если соответствующие ей колебания частиц среды являются гармоническими.

Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны-λ. Длина волны равна расстоянию, на которое распространяется волна (определенная фаза колебания) за один период, т. е. λ= , или, учитывая, что Т·ν=1, где ν- частота колебаний, . График волны показывает зависимость смещения всех частиц среды от расстояния до источника колебаний в данный момент времени, а график колебаний – зависимость смещения данной частицы от времени.

 

 

Билет № 11

1. Сила Ампера. Взаимодействие параллельных токов.

Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, помещенный в магнитное поле называют силой Ампера. Закон(формулу), выражающий эту силу называют законом Ампера(в электротехнике эту силу называют ёще магнитодвижущей силой). Закон имеет вид: F=BI , где F-сила Ампера, В- индукция магнитного поля, -длина проводника, α-угол между вектором тока и вектором индукции.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца были вытянуты по направлению тока, то отставленный на 90⁰ большой палец покажет направление силы Ампера.

Закон Ампера справедлив и в том случае, когда проводник с током находится в магнитное поле другого проводника с током, т. е. для случая взаимодействия токов. В этом случае закон Ампера имеет вид: F= μμ₀ ; где R-расстояние между проводниками, - длина проводника.

Используя правило левой руки можно определить, что два параллельных тока одного направления притягиваются друг к другу, а токи противоположных направлений отталкиваются.

Закон Ампера определяет единицу магнитной индукции-тесла. 1Тл-магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой 1Н на каждый метр длины проводника, расположенному перпендикулярно направлению поля, если по этому проводнику проходит ток 1А.

По величине силы взаимодействия между проводниками с токами была введена единица силы тока 1А, и вычислено значение магнитной постоянной μ_0.

На действии электрического поля на проводник с током основано действие электроизмерительных приборов магнитоэлектрической системы(амперметров и вольтметров), работа электродвигателей.

 

2. Волновой процесс. Свойства волн.

Волновой процесс. Продольные и поперечные волны. Длина волны, скорость волн.

Колебания, возбужденные в какой либо точке среды (твердой, жидкой или газообразной), распространяются в ней с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, передаваясь от одной точки среды к другой. Процесс распространения колебаний в сплошной среде называется волновым процессом или волной. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия, Вместе с волной от частицы к частице среды передается лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества.

Среди разнообразных волн, встречающихся в природе и технике, выделяются следующие их типы: волны на поверхности жидкости, упругие (механические) и электромагнитные волны.

Механическими волнами называются механические возмущения, распространяющиеся упругой среде. Упругие волны бывают продольные и поперечные. В продольных волнах частицы среды колеблются в направлении распространения волны, а в поперечных – в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны.

Продольные волны могут возбуждаться в средах, в которых возникают упругие силы при деформациях сжатия и растяжения. Примером продольной волны служат звуковые волны. Поперечные волны могут возбуждаться в среде, в которой возникают упругие силы при деформации сдвига. В жидкостях и газах возникают только продольные волны, а в твердых телах и продольные и поперечные.

Свойства волн: 1) Каждая возбужденная волной точка среды сама становится источником волн такой же частоты; 2) При распространении в среде нескольких волн каждая из них распространяется так, как будто другие волны отсутствуют; 3) На границе двух сред волна частично отражается и частично проникает в другую среду, при этом отклоняется от первоначального направления распространения (преломляется); 4) При наложении двух волн одинаковой частоты с постоянной разностью фаз (когерентных) возникает устойчивая картина чередований максимумов и минимумов колебаний точек среды (происходит интерференция волн); 5) Волна отклоняется от первоначального направления у границы преграды (волна огибает преграду) – дифракция волн. Дифракция заметна, если размеры препятствия сравнимы с длиной волны.

 

 

Билет № 12

1. Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.

Явление возникновения индукционного тока в замкнутом контуре при любом изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур называют явлением электромагнитной индукции. Явление электромагнитной индукции открыл в 1831г. М. Фарадей.

Закон Фарадея для электромагнитной индукции сформулирован не для силы тока, а для электродвижущей силы индукции. Сила тока зависит от сопротивления контура, а эдс индукции зависит только от изменения магнитного потока.

Э.Д.С.индукции, возникающая в контуре численно равна скорости изменения магнитного потока и противоположна ему по знаку.

, так записывается закон электромагнитной индукции в случае равномерного изменения магнитного потока.

Если ЭДС индукции возникает в соленоиде из N витков, то N

Если магнитный поток, пронизывающей контур, изменяется с неравномерной скоростью, то он записывается в виде: , (математически эта формула читается так: Мгновенное значение ЭДС индукции численно равно первой производной от магнитного потока по времени)

Знак «минус» в законе электромагнитной индукции учитывает направление, возникающего индукционного тока. В 1833г. Э.Ленц, обобщив результаты опытов пришел к выводу: Индукционный ток всегда направлен так, что созданное им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего этот индукционный ток. Т.е. если магнитный поток увеличивается, то индукция возникающего магнитного поля В₁ противоположна индукции основного магнитного поля В₀, если магнитный поток, пронизывающий контур, уменьшается, то В₁ совпадает по направлению с В_0.

ЭДС индукции возникает не только в замкнутом контуре, но и в прямом проводнике, который пересекает однородное магнитное поле под некоторым углом к линиям магнитной индукции. ЭДС индукции, возникающая при движении проводника в магнитном поле, пропорциональна индукции магнитного поля В, скорости движения проводника V, длине проводника l и синусу угла α, образованного векторами В и V.

Направление индукционного тока в прямом проводнике можно определить по правилу правой руки: правую руку располагают так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, а большой палец, отставленный на 90⁰ показывал направление движения проводника. Тогда четыре вытянутых пальца покажут направление индукционного тока.

 

2. Строение атома. Опыт Резерфорда. Постулаты Бора.

До открытия радиоактивности атомы считались элементарными частицами, неизменными и не имеющими никакого внутреннего строения. Исследования Дж.Дж.Томсона показали, что открытые им электроны появляются в свободном состоянии при ионизации атомов. Это означало, что электроны входят в состав атомов, т. е. атомы имеют какую-то внутреннюю структуру. Неионизированный атом нейтрален, значит отрицательный заряд, входящих в него электронов компенсирован положительным зарядом. Дж.Дж. Томсон предположил, что атомы представляют собой шарообразные частицы, состоящие из положительно заряженного вещества, в которое вкраплены отрицательно заряженные электроны (как изюминки в тесте кекса).

Модель Томсона требовала экспериментальной проверки, её выполнил Эрнест Резерфорд. Испускаемый радиоактивным веществом пучок альфа-частиц направлялся на тонкую металлическую фольгу. Проходя через фольгу, частицы попадали на экран, покрытый сернистым цинком. При этом каждая α- частица вызывала на экране вспышку света (сцинтилляцию), которая фиксировалась с помощью микроскопа. Большинство α- частиц свободно проходили через фольгу или отклонялись на очень малые углы. Но небольшое число α- частиц рассеивались на большие углы, иногда близкие к 180⁰. В 1911г. Резерфорд, обобщив результаты опытов, пришел к выводу: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена практически вся масса атома, размер ядра порядка 1·10^-15 м (размер атома имеет порядок 10^-10 м). Вокруг ядра, как планеты вокруг Солнца, движутся электроны, число которых совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева.

Рассеяние α- частиц на фольге Резерфорд объяснил таким образом: когда частица пролетает вблизи ядра, на неё действуют электростатические силы отталкивания. Эта сила тем больше, чем ближе к ядру пролетела частица. Если частица сталкивается с ядром, то она отскакивает назад, в этом случае угол рассеяния превышает 90⁰. Столкновения α- частиц с электроном к такому рассеянию не приводит, потому что масса электрона на четыре порядка меньше массы α- частицы.

Планетарная модель имела две существенные трудности: 1) почему электрон в атоме водорода попадает всегда на одну и ту же орбиту, несмотря на разные начальные условия; 2) согласно законам классической электродинамики, электрон, движущийся вокруг ядра с центростремительным ускорением, должен непрерывно излучать электромагнитные волны, однако атомы излучают энергию не всегда. Расчеты показывают, излучая электромагнитные волны, электрон за время 10^-8 с должен потерять всю свою энергию и упасть на ядро.

Постулаты Бора.

Выход из противоречий между планетарной моделью ядра и законами классической электродинамики был предложен в 1913 г. датским физиком Нильсом Бором. Бор заложил основы квантовой теории атома, объединив планетарную модель атома с гипотезой Планка о прерывистой структуре излучения света веществом. Основы новой теории Бор представил в виде трех постулатов:

1) Электроны в атоме могут двигаться только по стационарным (разрешенным) орбитам, удовлетворяющим условию 2 rmu = hn где r - радиус орбиты, m - масса электрона, u - скорость электрона. h – постоянная Планка, n - главное квантовое число, означающее номер орбиты (n = 1, 2,3,…)

2) Каждой стационарной орбите электрона соответствует определенное энергетическое состояние атома. Движение электрона по стационарной орбите не сопровождается излучением или поглощением энергии.

3) Излучение или поглощение фотона сопровождается переходом электрона с одной стационарной орбиты на другую, причем энергия фотона, излученного при переходе из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией (поглощенного при обратном переходе) равна разности энергии атома в начальном и конечном состояниях hν = E₁-E₂

Теория Бора сыграла огромную роль в развитии физики атома

 

Билет № 13

1. Самоиндукция. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

Самоиндукция- частный случай электромагнитной индукции. Если в контуре изменить силу тока (например, при замыкании или размыкании цепи), то изменится индукция, созданного током магнитного поля, что вызовет изменение магнитного потока. Магнитный поток пронизывает не только другие контуры, но и тот контур, ток в котором создает это магнитное поле. Поэтому в контуре возникает индукционный ток. ЭДС, возникающую в контуре, называют ЭДС самоиндукции. Магнитный поток Ф пропорционален индукции магнитного поля В (Ф=Вscosα), магнитная индукция пропорциональна силе тока (В=μ₀μ -для прямого тока),значит магнитный поток, созданный током пропорционален силе тока) Ф ~ I. Т.е. Ф=L·I

Коэффициент пропорциональности L между магнитным потоком Ф и силой тока I называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью.

Закон электромагнитной индукции для случая самоиндукции будет иметь вид:

, (Генри)

В результате самоиндукции при замыкании цепи сила тока в соленоиде будет нарастать постепенно, поэтому не сразу достигнет максимального значения. При размыкании цепи возникает индукционный ток, направление которого совпадает с направлением тока источника, что может вызвать разрушение цепи. Из-за самоиндукции электродвигатели и любые потребители, содержащие катушки индуктивности отключают от сети медленно с помощью специальных реостатов. Индуктивность зависит от формы и размеров контура и от магнитных свойств среды, в которой находится контур. Индуктивность прямого провода небольшая, поэтому обычно не учитывается.

Если в контуре индуктивностью L течет ток I, то в момент размыкания цепи возникает индукционный ток и этим током совершается работа, за счет энергии исчезающего магнитного поля. Энергия магнитного поля превращается главным образом в энергию электрического поля, за счет которой происходит нагревание проводника. Уменьшение энергии магнитного поля по закону сохранения энергии будет равно работе, совершаемой током, это позволяет вывести формулу для нахождения энергии магнитного поля.

Для контура любой формы энергию магнитного поля можно рассчитывать по формуле:

W= .

 

2. Дисперсия света. Цвета тел.

Дисперсия волн выражается в зависимости скорости распространения волн от длины волны (частоты колебаний). Таким свойством обладают электромагнитные волны в веществе. Первым дисперсию света наблюдал И.Ньютон, но его определение дисперсии было другим: дисперсия – это зависимость показателя преломления света от его цвета.

Опыт Ньютона был простым, узкий пучок солнечного света падал на трехгранную призму, на экране получалась радужная полоска, которую назвали спектром.

В спектре Ньютон выделил 7 цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый. Если эти лучи с помощью другой призмы собрать в один пучок, то вновь возникает белый свет. Если перед призмой поставить светофильтр, например, красное стекло, то спектра не будет. Ньютон пришел к выводу: белый свет – сложный свет, состоящий из семи монохроматических (одноцветных) лучей различной цветности.

 

 

Наибольшее отклонение к основанию призмы испытывают фиолетовые лучи,

(n_ф=1,532 для стекла), а наименьшее – красные лучи (n_кр=1,514 для стекла). Показатели преломления остальных цветных лучей имеют промежуточные значения.

Волновая природа света показала зависимость показателя преломления вещества от скорости света в этом веществе n=c/v, значит цвет связан с длиной волны, т.е. показатель преломления зависит от длины волны(частоты), скорость распространения света в веществе зависит от длины волны (частоты колебаний).

Дисперсия считается нормальной. Если показатель преломления возрастает по мере увеличения длины волны, для бесцветных прозрачных тел характерна такая дисперсия.

В окрашенных средах может наблюдаться аномальная дисперсия, когда с ростом длины волны возрастает показатель преломления, например, в парах натрия.

Представления о белом свете как о совокупности монохроматических длин волн помогает объяснить все многообразие цвета и его оттенков в природе.

Цветные тела по-разному отражают и поглощают световые волны различных частот. В результате в отраженном свете отдельные участки спектра в той или иной степени выбывают из общей совокупности монохроматических волн. Например, красные тела поглощают все цветные лучи, кроме красных, которые тела отражают. Если прозрачное для света тело пропускает красные лучи, поглощая остальные, то мы видим его красным. Если тело поглощает излучения всех длин волн, то оно черное; если отражает все длины волн, то тело- белое. Некоторые вещества отражают световые волны нескольких частот, в результате возникают смешанные цвета и оттенки.

 

 

Билет № 14

1.Магнитные свойства вещества.

Все вещества, а не только железо обладают магнитными свойствами - к такому выводу первым пришел Ампер.Магнитные свойства тела определяются элементарными токами, циркулирующими внутри вещества. После открытия строения атома пришли к выводу: элементарные токи- это результат орбитального движения электронов в атоме. Если направления токов не упорядочены, то порождаемые ими магнитные поля компенсируют друг друга, в этом случае тело не намагничено. Во внешнем магнитном поле токи упорядочиваются, в веществе возникает собственное магнитное поле-намагниченность.

Магнитные свойства вещества характеризуются магнитной проницаемостью μ,

μ= , где В₀-индукция магнитного поля в вакууме, В-индукция магнитного поля в веществе. Если μ 1, то вещество называется слабомагнитным, при μ значительно большем 1-сильномагнитными(ферромагнетиками). Слабомагнитные вещества делятся на 2 группы: диамагнетики(μ<1), к ним относятся серебро, медь, вода; парамагнетики(μ >1), к ним относятся алюминий, платина, эбонит.

У ферромагнетиков μ>>1. У железа магнитная проницаемость достигает нескольких тысяч, причем она существенно зависит от величины внешнего магнитного поля.

Ферромагнетики делятся на мягкие и жесткие. Ферромагнетики с малой остаточной намагниченностью – мягкие, из них изготавливают магнитопроводы транформаторов, злектромагнитов. Электродвигателей и т. д. Жесткие ферромагнетики-ферромагнетики с большой остаточной намагниченностью. Из них изготавливают постоянные магниты.

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, при которой ферромагнетик превращается в парамагнетик. Эту температуру называют точкой Кюри, для железа точка Кюри равна 1043К.

 

2. Фотон. Энергия, масса, импульс фотона.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: Черное тело испускает и поглощает свет не непрерывно, а определенными конечными порциями энергии – квантами. Энергия каждого кванта пропорциональна частоте излучения =hν, где h- коэффициент пропорциональности (постоянная Планка) h=6,626·10^-34Дж·с.

А.Эйнштейн, анализируя свойства электромагнитного излучения, пришел к выводу: сама электромагнитная волна состоит из отдельных порций –квантов или фотонов. Свет – это поток особых частиц. В монохроматическом свете все фотоны имеют одинаковую энергию =hν. Поглощение света состоит в том, что фотоны передают свою энергию атомам и молекулам, т.е. поглощение происходит прерывисто, отдельными порциями.

Развитие гипотезы Планка привело к созданию представлений о квантовых свойствах света. Кванты света стали называть фотонами. Энергию фотона определяют по формулам: =hν,

=hc/λ, =mc². Из этих формул можно выразить массу фотона:

m= hν/с² или m=h/cλ.

Импульс – это произведение массы тела на его скорость, значит импульс фотона p=mc, p=h/λ, p= hν/c, p= /с.

Масса покоя фотона равна нулю. Фотон существует, только распространяясь со скоростью света, при этом обладает конечными значениями энергии и импульса. Фотон нельзя ускорить или замедлить, т. е. инерционными свойствами фотон не обладает.

 

 

Билет № 15

1. Механические колебания. Параметры колебаний. Уравнение гармонического колебания.

Колебательное движение или колебательный процесс – это движение (процесс) которое повторяется полностью через равные или почти равные промежутки времени.

Колебательную систему называют осциллятор или вибратор, если говорят о механических колебаниях, то колебательную систему называют ещё маятником.

Полное колебание – один законченный цикл, после которого движение повторяется в том же порядке. Для любой колебательной системы характерно существование некоторого положения устойчивого равновесия, в котором тело находится до тех пор пока внешняя сила не выведет тело из этого состояния. Колебание в данной системе возникнут, если при выведении тела из положения равновесия возникает сила, направленная к положению равновесия и стремящаяся вернуть тело в положение равновесия, при этом трение в системе должно быть небольшим.

Различают свободные (собственные) колебания и вынужденные колебания. Свободными называют колебания тела, выведенного из положения равновесия и предоставленного самому себе, т. е. это колебания под действием внутренних сил системы, после выведения системы из положения равновесия.

Любое колебательное движение характеризуется следующими величинами:

Мгновенное значение изменяющейся величины, т е. значение величины в данныймомент времени, для механических колебаний эту величину обозначают х и называют смещением колеблющейся точки от положения равновесия;

Амплитуда колебания – максимальное значение изменяющейся величины, А (для механического колебания);

Период Т – время одного полного колебания, измеряется в секундах;

Частота ν – число полных колебаний за одну секунду, измеряется в герцах- Гц, 1 Гц – это одно колебание в секунду, т. е. Гц=с^-1; частота и период обратные величины, т. е.

Т·ν= 1;

Циклическая (круговая) частота ω – число колебаний за 2π секунд, т. е. ω=2πν или

, измеряется рад/с; Фаза колебания φ=2πνt+φ₀, где φ₀- начальная фаза колебания, фаза показывает какая часть периода прошла от момента начала колебания.

Гармоническое колебание – колебание в системе, где отсутствуют силы трения.

Математическое выражение мгновенного значения изменяющейся величины в зависимости от других характеристик колебательного движения и времени от начала движения называется уравнением гармонического колебания. Уравнение гармонического колебания имеет вид: х=А cos(ωt +φ₀) или х=Аsin (ωt +φ₀), в первом случае колебание называется косинусоидальным, во втором случае синусоидальным.

Выражение, стоящее под знаком косинуса или синуса – это фаза колебания. Т.е. уравнение можно записать в виде: х=А cosφ и х=Аsinφ. Уравнение гармонического колебания часто удобнее записывать в виде: х=Аcos(2πν +φ₀) или х=Аcos()

 

2.Давление света. Химическое действие света.

Давление света.

В 1901 г. П.Н. Лебедев на опыте определил, что свет оказывает давление на поверхность, величина давления зависит от светового потока и отражающих свойств поверхности (давление света оказалось на 10 порядков ниже атмосферного).

Электромагнитная теория света объясняет давление света возникновением механических сил, действующих на электроны освещаемого тела со стороны электрического и магнитного полей электромагнитной волны.

Квантовая теория света объясняет световое давление как результат передачи фотонами своего импульса атомам или молекулам вещества. Обе теории дают одинаковое значение светового давления p= , где N- число падающих фотонов, -коэффициент отражения. Справедливость этих формул подтвердил своими опытами Лебедев.

Билет № 16

1. Свободные электромагнитные колебания. Превращение энергии в колебательном контуре. Формула Томсона.

Замкнутую электрическую цепь, содержащую катушку индуктивности L и конденсатор С, называют колебательным контуром. Сообщим конденсатору электрический заряд. Тогда конденсатор начнет разряжаться на катушку. В катушке возникнет ток, порождающий магнитное поле. Это означает, что энергия электрического поля конденсатора W_э= превращается в энергию магнитного поля катушки W_м= . После того как сила тока в катушке достигнет максимального значения, а затем начинает убывать, вследствие самоиндукции магнитное поле катушки поддерживает убывающий в контуре ток и происходит перезарядка конденсатора. При этом энергия магнитного поля превращается в энергию электрического поля конденсатора. В следующий момент конденсатор вновь разряжается на катушку.

Однако теперь направление тока в контуре и направление магнитного поля меняются на противоположные. И снова в результате самоиндукции происходит перезарядка конденсатора. Далее все повторяется в прежнем порядке, т.е. в данном случае выполняются все условия колебательного процесса. Периодические

изменения электрического поля конденсатора и магнитного поля катушки, в результате которых происходит взаимный обмен энергией между этими полями, представляют собой электромагнитные колебания в контуре.

Электромагнитные колебания, возникающие за счет однократно сообщенной контуру энергии при зарядке конденсатора, называют свободными.

Если контур идеальный т. е. электрическое сопротивление катушки равно нулю (R=0), то колебания в контуре являются гармоническими и имеют вид:

I=q^'= -q_m·ω·sinωt =-I_msinωt, u= ωt =U_mcosωt, где ω² = , ω = или

T =2 , - период (частота) электромагнитных колебаний в контуре

(эти формулы называют формулой Томсона).

 

2. Теория внешнего фотоэффекта.

Явления вырывания электронов с поверхности металла называется внешним фотоэффектом. Внешний фотоэффект открыл в 1887 г. Генрих Герц.

Классическая физика (электромагнитная волновая теория света) объяснить закономерности фотоэффекта не смогла. Квантовая точка зрения на природу света позволяет объяснить внешний фотоэффект. А.Эйнштейн, анализируя свойства электромагнитного излучения, пришел к выводу: сама электромагнитная волна состоит из отдельных порций –квантов или фотонов. Свет – это поток особых частиц. В монохроматическом свете все фотоны имеют одинаковую энергию =hν. Поглощение света состоит в том, что фотоны передают свою энергию атомам и молекулам, т.е. поглощение происходит прерывисто, отдельными порциями.

Электрон, поглотив фотон, увеличивает свою энергию на hν. Этой энергии может хватить на то, чтобы электрон преодолел потенциальный барьер на границе металл- вакуум (совершил работу выхода А = еU) и на то, чтобы электрон приобрел некоторую кинетическую энергию К= , т.е. hν=А+ - уравнение Эйнштейна.

Из этого уравнения = ; т.е. скорость фотоэлектронов зависит только от частоты падающего на электрод излучения ν и от природы вещества (от работы выхода А) (смотри 1-ый закон фотоэффекта)

Из уравнения следует, что фотоэффект возможен если hν А (смотри 2-ой закон фотоэффекта), отсюда А=hν_min= hc/λ_max, или ν_min= А/h, λ_max= hc/А – красная граница фотоэффекта.

 

Билет № 17

1. Переменный ток. Получение переменного тока. Действующее значение переменного тока.

В промышленности и быту широкое применение находит переменный электрический ток, который представляет собой вынужденные электрические колебания. Получают переменный ток с помощью индукционного генератора. Принцип работы генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Простейшей моделью генератора

является виток, равномерно вращающийся в однородном магнитном поле.

В реальных генераторах ЭДС возбуждается не вращением витка в магнитном поле, а путем вращения электромагнита- ротора, внутри статора – неподвижной обмотки, навитой на стальной сердечник. Частота тока ν_эл= p·ν_мех, ν_мех- механическая частота вращения магнитных полюсов, p –число пар магнитных полюсов.

Электроизмерительные приборы переменного тока показывают действующее значение измеряемой величины.

2. Законы отражения и преломления света. Абсолютный показатель преломления.

Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором изучаются законы распространения световой энергии в прозрачных средах на основе представлений о световом луче.

Световой луч – это линия, вдоль которой распространяется энергия световых волн.
В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Световые лучи при пересечении не интерферируют и распространяются после пересечения независимо друг от друга.

На границе раздела двух сред свет может частично отразиться и распространяться в первой среде по новому направлению, а также пройти через границу раздела и распространяться во второй среде. В большей или меньшей степени свет отражается от любых поверхностей. Именно поэтому мы видим все освещенные тела. Отражение света от гладких полированных поверхностей называют зеркальным. Падающие на такие поверхности параллельные лучи, отражаясь, сохраняют свою параллельность.

Поверхности большинства окружающих нас предметов шероховаты, падающие на них параллельные лучи свою параллельность не сохраняют. В этом случае отражение называют диффузным, т.е. рассеянным.

Законы отражения:

Изменение скорости и направления распространения света на границе раздела двух прозрачных сред различной оптической плотности называют преломлением света.

Законы преломления света также установлены экспериментально, но гораздо позднее законов отражения

 

 

n_{21 –} относительный показатель преломления; V₁ – скорость света в первой среде;V₂ – скорость света во второй среде.

Если свет переходит в некоторую вещественную среду из вакуума, то отношение синусов углов падения и преломления называют а бсолютным показателем преломления данной среды, n= , где с – скорость света в вакууме, V- скорость света в данной среде. Для двух сред с абсолютными показателями преломления n₁ и n₂ относительный показатель преломления n₂₁ равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды, т. е. n₂₁= . Закон преломления примет вид: . Среда с меньшим абсолютным показателем преломления называется оптически менее плотной средой.

 

Билет № 18

1. Трансформатор, его назначение, устройство, принцип работы. Работа трансформатора на холостом ходу.

 

Трансформатор преобразует переменный ток одного напряже­ния в переменный ток другого напряжения при неизменной часто те. Он состоит из замкнутого сердечника,, изготовленного из специальной листовой трансформаторной стали, на котором рас­полагаются две катушки (их называют обмотками) с разным числом витков из медной проволоки. Одна из обмоток, назы­ваемая первичной, подключается к источнику переменного напря­жения. Устройства, потребляющие электроэнергию, подключаются ко вторичной обмотке, их может быть несколько.

Если первичную обмотку подключить к источнику перемен­ного напряжения, а вторичную оставить разомкнутой (этот режим работы называют холостым ходом трансформатора), то в первич­ной обмотке появится слабый ток, создающий в сердечнике переменный магнитный поток. Этот поток наводит, в каждом витке обмоток одинаковую ЭДС, поэтому ЭДС индукции в каждой обмотке будет прямо пропорциональна числу витков в этой обмотке.

При разомкнутой вторичной обмотке напряжение на ее зажи­мах U₂ будет равно наводимой в ней ЭДС В первичной обмотке ЭДС по числовому значению мало отличается от подводимого к этой обмотке напряжения V\, практически их можно считать равными, поэтому

где К — коэффициент трансформации. Если вторичных обмоток несколько, то коэффициент трансформации для каждой из них рассчитывается аналогично.

Если во вторичную цепь трансформатора включить нагрузку, то во вторичной обмотке возникнет ток. Этот ток создает маг­нитный поток, который, согласно правилу Ленца, должен умень­шить изменение магнитного потока в сердечнике, что, в свою очередь, приведет к уменьшению ЭДС индукции в первичной обмотке. Но эта ЭДС равна напряжению, приложенному к первичной обмотке, поэтому ток в первичной обмотке должен возрасти, восстанавливая начальное изменение магнитного пото­ка. При этом увеличивается мощность, потребляемая трансформа­тором от сети.

 

 

2. Полное внутреннее отражение света и его применение.

Если свет переходит из оптически более плотной среды в оптически менее плотную (n₂<n₁), например, из воды в воздух, то угол преломления Y больше угла падения . В этом случае при некотором угле падения ₀ угол преломления станет равным 90 ⁰.

Закон преломления примет вид: если вторая среда - воздух. Опыт показывает, что при достижении Y=90 ⁰ интенсивность преломленного луча становится равной нулю: свет, падающий на границу раздела сред, полностью отражается от неё. Угол падения ₀, при котором наступает полное отражение света, называется предельным углом полного внутреннего отражения,

sinα₀ = При всех углах падения больших ₀ будет происходить полное отражение света. Для каждого вещества существует собственный предельный угол полного отражения, для воды он равен 49⁰, для алмаза 24⁰.

На явлении полного внутреннего отражения основано появление нового раздела оптики – волоконной оптики, в которой изучается формирование изображений при распространении света по световодам. В применяемом стеклянном волокне основная световедущая жила окружена оболочкой с меньшим показателем преломления. На границе раздела двух сред происходит полное отражение света. За счет этого световой пучок практически без потерь проходит от источника к освещаемой поверхности.

Применение различных устройств волоконной оптики очень широко: от медицины до техники. Например, одножильные световоды или жгуты из волокон много лет применяют для освещения внутренних органов при диагностике и проведении операций.

Такой прибор называется эндоскопом. Широкое применение находят световоды для передачи информации от ЭВМ. Высокопрозрачные световоды изготавливают, вытягивая световод из расплава кварцевого стекла; наружная оболочка из того же кварца легируется примесями, снижающими показатель преломления (бор, германий, фосфор).

Законы отражения и преломления света получены первоначально экспериментально, исходя из представлений о световом потоке как совокупности световых лучей.

 

Билет № 19

1. Волновой процесс, продольные и поперечные волны. Длина волны, скорость волны.

Волновой процесс. Продольные и поперечные волны. Длина волны, скорость волн.

Колебания, возбужденные в какой либо точке среды (твердой, жидкой или газообразной), распространяются в ней с конечной скоростью, зависящей от свойств среды, передаваясь от одной точки среды к другой. Процесс распространения колебаний в сплошной среде называется волновым процессом или волной. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия, Вместе с волной от частицы к частице среды передается лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества.

Среди разнообразных волн, встречающихся в природе и технике, выделяются следующие их типы: волны на поверхности жидкости, упругие (механические) и электромагнитные волны.

Механическими волнами называются механические возмущения, распространяющиеся упругой среде. Упругие волны бывают продольные и поперечные. В продольных волнах частицы среды колеблются в направлении распространения волны, а в поперечных – в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения волны.

Продольные волны могут возбуждаться в средах, в которых возникают упругие силы при деформациях сжатия и растяжения. Примером продольной волны служат звуковые волны. Поперечные волны могут возбуждаться в среде, в которой возникают упругие силы при деформации сдвига. В жидкостях и газах возникают только продольные волны, а в твердых телах и продольные и поперечные. Скорость распространения механических волн зависит от свойств среды (модуля упругости и плотности) , Е- модуль упругости, - плотность вещества. Упругая волна называется гармонической, если соответствующие ей колебания частиц среды являются гармоническими. Расстояние между ближайшими частицами, колеблющимися в одинаковой фазе, называется длиной волны-λ. Длина волны равна расстоянию, на которое распространяется волна (определенная фаза колебания) за один период, т. е. λ= , или, учитывая, что Т·ν=1, где ν- частота колебаний . График волны показывает зависимость смещения всех частиц среды от расстояния до источника

2.Внешний и внутренний фотоэффект. Законы внешнего фотоэффекта.

Явления вырывания электронов с поверхности металла называется внешним фотоэффектом. Внешний фотоэффект открыл в 1887 г. Генрих Герц. Он обнаружил, что если на отрицательный электрод искрового разрядника направить ультрафиолетовое излучение, то электрический разряд будет происходить при меньшем напряжении между электродами. Если облучать положительный электрод, то разряд происходит при том же напряжении, что и при отсутствии излучения. Под действием света незаряженная пластина может стать положительно заряженной. Эти опытные факты можно было объяснить только тем, что электроны под действием света покидают металл. Для полупроводников был обнаружен внутренний фотоэффект – под действием света электроны становятся свободными, увеличивая проводимость полупроводника, но вещества эти электроны не покидают.

Закономерности внешнего фотоэффекта были установлены на опытах А.Г.Столетовым в 1888- 1890 г.г:

1) Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой излучения (длиной волны) и не зависит от интенсивности излучения;

2) Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта. т.е. наименьшая частота света ν_min (наибольшая длина волны λ_max), при которой ещё возможен внешний фотоэффект, волны меньшей частоты (большей длины волны) фотоэффекта уже не вызовут;

3) Число фотоэлектронов, вырываемых из катода за 1 с.(фототок насыщения) пропорционально интенсивности света;

4) Фотоэффект практически безынерционен.

Классическая физика (электромагнитная волновая теория света) объяснить закономерности фотоэффекта не смогла.

 

Билет № 20

1. Электромагнитные волны. Излучение электромагнитных волн.

Существование электромагнитных волн предсказал Д. К. Максвелл в созданной им теории электромагнитного поля. Два основных положения этой теории:

Всякое переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле;

Всякое переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Индукция магнитного поля В (скорости изменения напряженности электрического поля). Напряженность электрического поля Е, возникающего в результате изменения магнитного поля, пропорциональна скорости изменения индукции магнитного поля: Е .

Если в какой-либо точке пространства возбудить вихревое переменное электрическое поле, то в окружающем пространстве возникает последовательность взаимных превращений электрических и магнитных полей т. е. возникает электромагнитное поле, распространяющееся во времени и в пространстве. Этот процесс является периодическим и представляет собой электромагнитную волну.

Согласно теории Максвелла, скорость электромагнитных волн является величиной постоянной, Она зависит от электрических и магнитных свойств среды: ,

Где проницаемость среды, - диэлектрическая проницаемость среды Гн/м – магнитная постоянная, ₀= 8,85·10^-12 Ф/м – электрическая постоянная. Для вакуума =1, =1, С= = 3·10⁸ м/с, т. е. скорость электромагнитных волн в вакууме равна скорости света в вакууме.

Колебания вектора напряженности электрического поля Е и вектора индукции магнитного поля В в любой точке пространства совпадают по фазе. Направления векторов Е и В перпендикулярны друг другу и направлению распространения волны, т. е. электромагнитная волна является поперечной волной.

Первым получил на опыте электромагнитные волны Г. Герц, он исследовал свойства электромагнитных волн и подтвердил теорию Д. Максвелла. Установка Г.Герца была несовершенной, практического применения такой излучатель волн иметь не мог.

Согласно теории Максвелла, источником электромагнитных волн могут быть любые переменные токи или переменные электрические и магнитные поля. Высокочастотные Электромагнитные колебания возникают в колебательном контуре,

Такая электрическая цепь замкнута и электромагнитное поле локализовано самим контуром. Сообщаемая контуру энергия лишь в незначительной мере излучается, такой контур называется закрытым.Возьмем колебательный контур К₁, в котором с помощью генератора высокой частоты возбуждаются незатухающие электрические колебания. Индуктивно свяжем с ним другой колебательный контур К₂. Тогда в контуре К₂ тоже возникнут незатухающие колебания. Будем раздвигать пластины конденсатора контура К₂, вытягивая его в прямой провод. Такая система называется открытым колебательным контуром. В действительности же контур состоит из катушки и длинного провода – антенны. Один конец провода обычно соединен с землей, второй поднят над поверхностью Земли. Электромагнитные волны радиодиапазона получают с помощью такого контура.

 

2. Интерференция света. Условие max и min интерференции.

Явления увеличения или уменьшения амплитуды результирующей волны при сложении двух или нескольких волн с одинаковыми периодами колебаний, называется интерференцией. При интерференции амплитуда результирующих колебаний в разных точках пространства имеет различные значения и расположение в пространстве максимумов и минимумов не меняется. Интерферировать могут только когерентные волны, т.е. волны одинаковой частоты и постоянной во времени разности фаз. В природе нет когерентных источников света. Когерентные световые волны получают разделением одного и того же пучка света на части или с помощью лазеров.

Явление интерференции света, которое сопровождалось явлением дифракции света, изучали на опытах в начале 19 века Т. Юнг и О. Френель. Но самую первую картину интерференции получил ёще И.Ньютон, эту картину называют кольцами Ньютона. На поверхность зеркала положена плосковыпуклая линза большого радиуса кривизны. При освещении белым светом (солнечным) наблюдаются радужные и темные кольца, которые чередуются друг с другом. Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей, тонких масляных пленок на поверхности воды, крыльев насекомых.

Световые волны отражаются частично от верхней поверхности пленки, частично проходят сквозь пленку и отражаются от нижней границы пленки. Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути, тем самым создается разность фаз.

Условие максимума интерференции: Колебания усиливают друг друга в тех точках пространства, для которых оптическая разность хода волн Δd равна целому числу длин волн (четному числу длин полуволн), Δd=kλ=2k· λ/2.

Условие минимумов интерференции: Колебания ослабляют друг друга в тех точках пространства, для которых оптическая разность хода волн равна нечетному числу длин полуволн, Δd = .

Когда выполняется условие максимума для одной длины волн, то оно не выполняется для других длин волн. Поэтому освещаемая белым светом тонкая бесцветная прозрачная пленка кажется окрашенной. При изменении толщины пленки или угла падения световых волн, разность хода изменяется и условие максимума выполняется для света с другой длины волны. Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей, просветления оптики.

 

 

Билет № 21

1. Шкала электромагнитных волн. Свойства и применение отдельных частей электромагнитных волн.

В зависимости от частоты ν (или длины волны λ в вакууме λ= с/v), а также способа излучения и регистрации различают несколько видов электромагнитных волн: радиоволны, оптическое излучение (инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое), рентгеновское излучение и гамма излучение. Общие свойства электромагнитных волн:

распространение в пространстве с течением времени; поглощение веществом (степень поглощения зависит от частоты); на границе раздела двух частично отражаются, частично преломляются (степень отражения и преломления зависит от сред); для всех волн наблюдается дифракция, интерференция, дисперсия.

Радиоволнами называют электромагнитные волны, для которых ν 10⁵-10¹¹ Гц,

По международному соглашению радиочастоты делят на 12 диапазонов. Радиоволны получают с помощью колебательных контуров, используют в радиосвязи, телевещании, радиолокации.

Оптическим излучением или светом называют электромагнитные волны в диапазоне от 10 нм до 1 мм. Инфракрасное излучение ν = 3·10¹¹-4·10¹⁴ Гц, дают все тела при любой температуре, т.е. излучение обусловлено тепловыми колебаниями атомов. Человек излучает электромагнитные волны λ м. Тепловое излучение проходит через некоторые непрозрачные тела, производит химическое действие на фотопластинку, поглощаясь веществом, нагревает его, невидимо. Регистрируется тепловыми, фотоэлектрическими, фотографическими методами. Используются для получения изображений предметов в темноте, приборы ночного видения, системы самонаведения, в криминалистике, физиотерапии, в промышленности для сушки окрашенных изделий, стен зданий, фруктов. Видимым излучением, или видимым светом, называют электромагнитное излучение с длиной волн в вакууме от 770 до 380 нм, которое способно непосредственно вызвать зрительное ощущение в человеческом глазе. Ультрафиолетовое излучение – электромагнитное излучение с длиной волны в вакууме от 380 до 10 нм. Источники: кварцевые лампы, все твердые тела, температура которых выше 1000⁰С, пары ртути. Обладает высокой химической активностью, невидимо, большая проникающая способность, убивает микроорганизмы, в небольших дозах необходимо человеку, но в больших дозах оказывает отрицательное биологическое воздействие(изменение в развитии клеток и обмене веществ, действует на зрение). Применяется в медицине и промышленности.

Рентгеновское излучение, или рентгеновские лучиизлучаются при большом ускорении электронов, например, при торможении в металлах, длина волны от 100нм до 0,01нм. Обладают огромной проникающей способностью, в больших дозах вызывают лучевую болезнь. Используются в медицине и промышленности для диагностики, в науке (дифракция рентгеновских лучей на кристаллической решетке).

Гамма излучение возникает при распаде ядер, обладает всеми свойствами рентгеновского излучения, более жесткое.

Мощным источником электромагнитных излучений всех длин волн является Солнце.

2. Электрический ток. Сила тока. Плотность тока. Закон Ома для участка цепи.

Электрический ток- направленное непрерывное движение свободных электрических зарядов (электронов или ионов). Различают ток проводимости и конвекционный ток. Практическое применение в основном имеет ток проводимости. Ток проводимости –упорядоченное перемещение свободных электронов или ионов (дрейф) в неподвижных проводниках. Упорядоченное движение зарядов, связанное с перемещением в пространстве заряженного тела называют током проводимости. За техническое направление тока принимают направление дрейфа положительных зарядов.

Ток характеризуется 2-мя величинами: сила тока-I и плотность тока- j

I=dQ/dt; j=dI/dt;

Различают постоянный и переменный ток. Постоянный ток- ток, сила которого с течением времени не изменяется I=Q/t, где Q- заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за время t.

Плотность тока j-векторная физическая величина, модуль которой равен отношению силы тока к площади поперечного сечения проводника. При постоянном токе j=I/S

Плотность тока определяется концентрацией свободных электронов-n, скоростью их дрейфа-v, и зарядом свободной частицы-e. j=nev

Для возникновения и существования тока необходимо достаточное количество свободных зарядов и электрическое поле, которое будет перемещать эти заряды в одном направлении, т. е. необходимо создать разность потенциалов (напряжение).

З