Білет № 1
Механічне рух Відносність руху, Система відліку, Матеріальна точка, Траєкторія. Шлях і переміщення. Миттєва швидкість. Прискорення. Рівномірний і рівноприскореному русі
План відповіді 1. Визначення механічного руху. 2. Основні поняття механіки. 3. Кінематичні характеристики. 4. Основні рівняння. 5. Види руху. 6. Відносність руху.
Механічним рухом називають зміну положення тіла (або його частин) відносно інших тіл. Наприклад, людина, що їде на ескалаторі в метро, перебуває в спокої відносно самого ескалатора і переміщається щодо стін тунелю; гора Ельбрус знаходиться в спокої відносно Землі і рухається разом з Землею відносно Сонця.
З цих прикладів видно, що завжди треба вказати тіло, щодо якого розглядається рух, його називають тілом відліку. Система координат, тіло відліку, з яким вона пов'язана, і вибраний спосіб вимірювання часу утворюють систему відліку. Розглянемо два приклади. Розміри орбітальної станції, що знаходиться на орбіті навколо Землі, можна не враховувати, розраховуючи траєкторію руху космічного корабля при стикуванні із станцією, без урахування її розмірів не обійтися. Таким чином, іноді розмірами тіла в порівнянні з відстанню до нього можна знехтувати, у цих випадках тіло вважають матеріальною точкою, Лінію, вздовж якої рухається матеріальна точка, називають траєкторією. Довжина частини траєкторії між початковим і кінцевим положенням точки називають шляхом (L). Одиниця вимірювання шляху - 1м.
Механічне рух характеризується трьома фізичними величинами: переміщенням, швидкістю і прискоренням.
Спрямований відрізок прямої, проведений з початкового положення рухомої точки в її кінцеве становище, називається переміщенням (s), Рух - величина векторна Одиниця виміру переміщення-1м.
Швидкість - векторна фізична величина, що характеризує швидкість переміщення тіла, чисельно рівна відношенню переміщення за малий проміжок часу до величини цього проміжку. Проміжок, часу вважається досить малим, якщо швидкість протягом цього проміжку не змінювалася. Наприклад, при русі автомобіля t ~ 1 с, при русі елементарної частинки t ~ 10 с, при русі небесних тіл t ~ 10 с. Визначальна формула швидкості має вигляд v = s / t. Одиниця виміру швидкості - м / с. На практиці використовують одиницю вимірювання швидкості км / год (36 км / год = 10 м / с). Вимірюють швидкість спідометром.
Прискорення - векторна фізична величина, що характеризує швидкість зміни швидкості, чисельно дорівнює відношенню зміни швидкості до проміжку часу, протягом якого ця зміна відбулася. Якщо швидкість змінюється однаково протягом усього часу руху, то прискорення можна розрахувати за формулою а = (v - v 0) / t. Одиниця виміру прискорення - м / с 2.
Характеристики механічного руху пов'язані між собою основними кінематичними рівняннями.
s = v 0 t + at 2 / 2;
v = v 0 + At.
Припустимо, що тіло рухається без прискорення (літак на маршруті), його швидкість протягом тривалого часу не змінюється, а = 0, тоді кінематичні рівняння матимуть вигляд: v = const, s = vt.
Рух, при якому швидкість тіла не змінюється, тобто тіло за будь-які рівні проміжки часу переміщається на одну і ту ж величину, називають рівномірним прямолінійним рухом.
Під час старту швидкість ракети швидко зростає, тобто прискорення а> О, а == const.
У цьому випадку кінематичні рівняння виглядають так: v = v 0 + At, s = V 0 t + at 2 / 2.
При такому русі швидкість і прискорення мають однакові напрямки, причому швидкість змінюється однаково за будь-які рівні проміжки часу. Цей вид руху називають рівноприскореним.
При гальмуванні автомобіля швидкість зменшується однаково за будь-які рівні проміжки часу, прискорення менше нуля; так як швидкість зменшується, то рівняння приймають вигляд: v = v 0 + at, s = v 0 t - at 2 / 2. Такий рух називають равнозамедленним.
Усі фізичні величини, що характеризують рух тіла (швидкість, прискорення, переміщення), а також вид траєкторії, можуть змінюватися при переході з однієї системи до іншої, тобто характер руху залежить від вибору системи відліку, в цьому і проявляється відносність руху. Наприклад , в повітрі відбувається дозаправка літака паливом. У системі відліку, пов'язаної з літаком, інший літак знаходиться в спокої, а в системі відліку, пов'язаної з Землею, обидва літаки знаходяться в русі. При русі велосипедиста точка колеса в системі відліку, пов'язаної з віссю, має траєкторію, представлену на малюнку 1.
Рис. 1 Рис. 2
У системі відліку, пов'язаної з Землею, вид траєкторії виявляється іншим (рис. 2).
Білет № 2
Взаємодія тіл. 2. Види взаємодії. 3. Сила. 4. Сили в механіці.
Прості спостереження та досліди, наприклад з візками (рис. 3), призводять до наступних якісним висновків: а) тіло, на яке інші тіла не діють, зберігає свою швидкість незмінною;
б) прискорення тіла виникає під дією інших тіл, але залежить і від самого тіла; в) дії тіл один на одного завжди носять характер взаємодії. Ці висновки підтверджуються при спостереженні явищ у природі, техніці, космічному просторі тільки в інерційних системах відліку.
Взаємодії відрізняються один від одного і кількісно, і якісно. Наприклад, ясно, що чим більше деформується пружина, тим більше взаємодія її витків. Або, чим ближче два однойменних заряду, тим сильніше вони будуть притягуватися. У найпростіших випадках взаємодії кількісною характеристикою є сила. Сила - причина прискорення тіл по відношенню до інерціальній системі відліку або їх деформації. Сила - це
векторна фізична величина, що є мірою прискорення, що придбавається тілами при взаємодії. Сила характеризується: а) модулем; б) точкою докладання; в) напрямом.
Одиниця виміру сили - ньютон. 1 ньютон - це сила, яка тілу масою 1 кг повідомляє прискорення 1 м / с у напрямку дії цієї сили, якщо інші тіла на нього не діють. Рівнодіючої декількох сил називають силу, дія якої еквівалентно дії тих сил, які вона замінює. Рівнодійна є векторної сумою всіх сил, прикладених до тіла.
R = F1 + F2 +...+ Fn,.
Якісно за своїми властивостями взаємодії також різні. Наприклад, електричне і магнітне взаємодії пов'язані з наявністю зарядів у часток або з рухом заряджених частинок. Найбільш просто розрахувати сили в електродинаміки: сила Ампера - F = IlBsina, сила Лоренца - F = qv Bsin a., кулонівська сила - F = q 1 q 2 / r 2; і гравітаційні сили: закон всесвітнього тяжіння-F = Gm 1 m 2 / r 2. Такі механічні сили, як
сила пружності і сила тертя, виникають в результаті електромагнітної взаємодії. Для їх розрахунку необхідно використовувати формули:. Fynp = - kx (закон Гука), Fтр = MN - сила тертя.
На основі дослідних даних були сформульовані закони Ньютона. Другий закон Ньютона. Прискорення, з яким рухається тіло, прямо пропорційно рівнодіючої всіх сил, що діють на тіло, обернено пропорційно його масі і спрямовано так само, як і рівнодіюча сила: а = F / m.
Для вирішення завдань закон часто записують у вигляді: F = та.
Третій закон є узагальненням і звучить так: Тіла діють один на одного з силами рвнимі за модулем і протилежними за напрямом.
Перший закон: існують такі системи відліку, щодо яких поступально рухомі тіло зберігає свою швидкість постійної, якщо на нього не діють інші тіла (або дія інших тіл компенсірутся).
Білет3
Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу в природі і техніці
План відповіді
1. Імпульс тіла. 2. Закон збереження імпульсу. 3. Застосування закону збереження імпульсу. 4. Реактивний рух.
Прості спостереження і досліди доводять, що спокій і рух відносні, швидкість тіла залежить від вибору системи відліку; за другим законом Ньютона, незалежно від того, чи знаходилася тіло в спокої або рухалося, зміна швидкості його руху може відбуватися тільки при дії сили, т. е. в результаті взаємодії з іншими тілами. Однак існують величини, які можуть зберігатися при взаємодії тіл. Такими величинами є енергія і імпульс.
Імпульсом тіла називають векторну фізичну величину, яка є кількісною характеристикою поступального руху тіл. Імпульс позначається р. Одиниця виміру імпульсу Р - кг • м / с. Імпульс тіла дорівнює добутку маси тіла на його швидкість: р = mv. Напрямок вектора імпульсу р збігається з напрямком вектора швидкості тіла v (рис. 4).
Для імпульсу тел виконується закон збереження, який справедливий тільки для замкнених фізичних систем. У загальному випадку замкнутої називають систему, яка не обмінюється енергією і масою з тілами і полями, що не входять в неї. У механіці замкнутої називають систему, на яку не діють зовнішні сили або дія цих сил скомпенсировано. У цьому випадку р 1 = р 2 де р 1 - початковий імпульс системи, а р 2 - кінцевий. У разі двох тіл, що входять в систему, це вираз має вигляд m 1 v 1 + т 2 v 2 = m 1 v 1 '+ т 2 v 2' де т 1 і т 2 - маси тіл, а v 1 і v 2 , - швидкості до взаємодії, v 1 'іv 2' - швидкості після взаємодії. Ця формула і є математичним виразом закону збереження імпульсу: імпульс замкнутої фізичної системи зберігається при будь-яких взаємодіях, які відбуваються всередині цієї системи.
Іншими словами: у замкнутої фізичної системі геометрична сума імпульсів тіл до взаємодії дорівнює геометричній сумі імпульсів цих тіл після взаємодії. У разі незамкненою системи імпульс тіл системи не зберігається. Однак, якщо в системі існує напрямок, по якому зовнішні сили не діють, або дію скомпенсировано, то зберігається проекція імпульсу на цей напрямок. Крім того, якщо час взаємодії мало (постріл, вибух, удар), то за цей час навіть у разі незамкненою системи зовнішні сили незначно змінюють імпульси взаємодіючих тіл. Тому для практичних розрахунків у цьому випадку теж можна застосовувати закон збереження імпульсу.
Експериментальні дослідження взаємодій різних тіл - від планет і зірок до атомів і елементарних часток - показали, що в будь-якій системі взаємодіючих тіл при відсутності дії з боку інших тіл, що не входять в систему або рівність нулю суми діючих сил, геометрична сума імпульсів тіл дійсно залишається незмінною .
У механіці закон збереження імпульсу і закони Ньютона пов'язані між собою. Якщо на тіло масою т протягом часу t діє сила і швидкість його руху змінюється від v 0 до v, то прискорення руху a тіла одно a = (v - v 0) / t. На підставі другого закону Ньютона для сили F можна записати F = та = m (v - v 0) / t, звідси випливає Ft = mv - mv 0.
Ft - векторна фізична величина, що характеризує дію на тіло сили за певний проміжок часу і дорівнює добутку сили на час t її дії, називається імпульсом сили.
Одиниця імпульсу в СІ - Н • с.
Закон збереження імпульсу лежить в основі реактивного руху. Реактивний рух - це такий рух тіла, яке виникає після відокремлення від тіла його частини.
Нехай тіло масою т покоїлося. Від тіла відокремилася якась його частина т 1 зі швидкістю v 1. Тоді
решта прийде в рух у протилежний бік зі швидкістю v 2, маса залишилася, т 2 Дійсно, сума імпульсів обох частин тіла до відділення була дорівнює нулю і після поділу буде дорівнює нулю:
т 1 v 1 + m 2 v 2 = 0, звідси v 1 =-m 2 v 2 / m 1.
Велика заслуга в розвитку теорії реактивного руху належить К. Е. Ціолковського.
Він розробив теорію польоту тіла змінної маси (ракети) в однорідному полі тяжіння і розрахував запаси палива, необхідні для подолання сили земного тяжіння; основи теорії рідинного реактивного двигуна, а так само елементи його конструкції, теорію багатоступеневих ракет, причому запропонував два варіанти: паралельний ( кілька реактивних двигунів працюють одночасно) і послідовний (реактивні двигуни працюють один за одним). К. Е. Ціолковський суворо науково довів можливість польоту в космос за допомогою ракет з рідинним реактивним двигуном, запропонував спеціальні траєкторії посадки космічних апаратів на Землю, висунув ідею створення міжпланетних орбітальних станцій і детально розглянув умови життя і життєзабезпечення на них. Технічні ідеї Ціолковського знаходять застосування при створенні сучасної ракетно-космічної техніки. Рух за допомогою реактивного струменя, за законом збереження імпульсу, лежить в основі гідрореактивний двигуна. В основі руху багатьох морських молюсків (восьминогів, медуз, кальмарів, каракатиць) також лежить реактивний принцип.
Білет № 4
Закон всесвітнього тяжіння. Сила тяжіння. Вага тіла. Невагомість
План відповіді
1. Сили гравітації. 2. Закон всесвітнього тяжіння. 3. Фізичний сенс гравітаційної постійної. 4. Сила тяжіння. 5. Вага тіла, перевантаження. 6. Невагомість.
Ісаак Ньютон висунув припущення, що між будь-якими тілами в природі існують сили взаємного тяжіння. Ці сили називають силами гравітації, або силами всесвітнього тяжіння. Сила всесвітнього тяжіння виявляється в Космосі, Сонячну систему і на Землі. Ньютон узагальнив закони руху небесних тіл і з'ясував, що F = G (m 1 * m 2) / R 2, де G - коефіцієнт пропорційності, називається гравітаційною сталою. Чисельне значення гравітаційної постійної досвідченим шляхом визначив Кавендіш, вимірюючи силу взаємодії між свинцевими кулями. В результаті закон всесвітнього тяжіння звучить так: між будь-якими матеріальними точками існує сила взаємного тяжіння, прямо пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними, діюча по лінії, що з'єднує ці точки.
Фізичний сенс гравітаційної постійної випливає із закону всесвітнього тяжіння. Якщо m 1 = m 2 = 1 кг, R = 1 м, то G = F, т. е. гравітаційна стала дорівнює силі, з якою притягуються два тіла по 1 кг на відстані 1 м. Чисельне значення: G = 6,67 • 10 -11 Н • м 2 / кг 2. Сили всесвітнього тяжіння діють між будь-якими тілами в природі, але відчутними вони стають при великих масах (або хоча б маса одного з тіл велика). Закон же всесвітнього тяжіння виконується тільки для матеріальних точок і куль (у цьому випадку за відстань приймається відстань між центрами куль).
Приватним видом сили всесвітнього тяжіння є сила тяжіння тіл до Землі (або до іншої планети). Цю силу називають силою тяжіння. Під дією цієї сили всі тіла набувають прискорення вільного падіння. Згідно з другим законом Ньютона g = f т / m, отже, f т = mg. Сила тяжіння завжди спрямована до центру Землі. У залежності від висоти h над поверхнею Землі і географічної широти положення тіла прискорення вільного падіння набуває різні значення. На поверхні Землі і в середніх широтах прискорення вільного падіння одно 9,831 м / с 2.
У техніці й побуті широко використовується поняття ваги тіла. Вагою тіла називають силу, з якою тіло тисне на опору або підвіс в результаті гравітаційного тяжіння до планети (мал. 5). Вага тіла позначається Р. Одиниця виміру ваги - 1 Н. Оскільки вага дорівнює силі, з якою тіло діє на опору, то відповідно до третім законом Ньютона за величиною вага тіла дорівнює силі реакції опори. Тому, щоб знайти вага тіла, необхідно знайти, чому дорівнює сила реакції опори.
Розглянемо випадок, коли тіло разом з опорою не рухається. У цьому випадку сила реакції опори, а отже, і вага тіла дорівнює силі тяжіння (рис. 6): р = N = mg.
У випадку руху тіла вертикально вгору разом з опорою із прискоренням, за другим законом Ньютона, можна записати mg + N = ту (рис. 7, а).
У проекції на вісь OX: - mg + N = та, звідси N = m (g + а).
Механічне рух Відносність руху, Система відліку, Матеріальна точка, Траєкторія. Шлях і переміщення. Миттєва швидкість. Прискорення. Рівномірний і рівноприскореному русі
а |
б |
в |
Рис. 3 |
Механічним рухом називають зміну положення тіла (або його частин) відносно інших тіл. Наприклад, людина, що їде на ескалаторі в метро, перебуває в спокої відносно самого ескалатора і переміщається щодо стін тунелю; гора Ельбрус знаходиться в спокої відносно Землі і рухається разом з Землею відносно Сонця.
Механічне рух характеризується трьома фізичними величинами: переміщенням, швидкістю і прискоренням.
Спрямований відрізок прямої, проведений з початкового положення рухомої точки в її кінцеве становище, називається переміщенням (s), Рух - величина векторна Одиниця виміру переміщення-1м.
Швидкість - векторна фізична величина, що характеризує швидкість переміщення тіла, чисельно рівна відношенню переміщення за малий проміжок часу до величини цього проміжку. Проміжок, часу вважається досить малим, якщо швидкість протягом цього проміжку не змінювалася. Наприклад, при русі автомобіля t ~ 1 с, при русі елементарної частинки t ~ 10 с, при русі небесних тіл t ~ 10 с. Визначальна формула швидкості має вигляд v = s / t. Одиниця виміру швидкості - м / с. На практиці використовують одиницю вимірювання швидкості км / год (36 км / год = 10 м / с). Вимірюють швидкість спідометром.
Прискорення - векторна фізична величина, що характеризує швидкість зміни швидкості, чисельно дорівнює відношенню зміни швидкості до проміжку часу, протягом якого ця зміна відбулася. Якщо швидкість змінюється однаково протягом усього часу руху, то прискорення можна розрахувати за формулою а = (v - v 0) / t. Одиниця виміру прискорення - м / с 2.
Характеристики механічного руху пов'язані між собою основними кінематичними рівняннями.
s = v 0 t + at 2 / 2;
v = v 0 + At.
Припустимо, що тіло рухається без прискорення (літак на маршруті), його швидкість протягом тривалого часу не змінюється, а = 0, тоді кінематичні рівняння матимуть вигляд: v = const, s = vt.
Рух, при якому швидкість тіла не змінюється, тобто тіло за будь-які рівні проміжки часу переміщається на одну і ту ж величину, називають рівномірним прямолінійним рухом.
Під час старту швидкість ракети швидко зростає, тобто прискорення а> О, а == const.
У цьому випадку кінематичні рівняння виглядають так: v = v 0 + At, s = V 0 t + at 2 / 2.
При такому русі швидкість і прискорення мають однакові напрямки, причому швидкість змінюється однаково за будь-які рівні проміжки часу. Цей вид руху називають рівноприскореним.
При гальмуванні автомобіля швидкість зменшується однаково за будь-які рівні проміжки часу, прискорення менше нуля; так як швидкість зменшується, то рівняння приймають вигляд: v = v 0 + at, s = v 0 t - at 2 / 2. Такий рух називають равнозамедленним.
Усі фізичні величини, що характеризують рух тіла (швидкість, прискорення, переміщення), а також вид траєкторії, можуть змінюватися при переході з однієї системи до іншої, тобто характер руху залежить від вибору системи відліку, в цьому і проявляється відносність руху. Наприклад , в повітрі відбувається дозаправка літака паливом. У системі відліку, пов'язаної з літаком, інший літак знаходиться в спокої, а в системі відліку, пов'язаної з Землею, обидва літаки знаходяться в русі. При русі велосипедиста точка колеса в системі відліку, пов'язаної з віссю, має траєкторію, представлену на малюнку 1.
Рис. 1 Рис. 2
У системі відліку, пов'язаної з Землею, вид траєкторії виявляється іншим (рис. 2).
Білет № 2
Взаємодія тіл. Сила. Другий закон Ньютона
План відповідіВзаємодія тіл. 2. Види взаємодії. 3. Сила. 4. Сили в механіці.
б) прискорення тіла виникає під дією інших тіл, але залежить і від самого тіла; в) дії тіл один на одного завжди носять характер взаємодії. Ці висновки підтверджуються при спостереженні явищ у природі, техніці, космічному просторі тільки в інерційних системах відліку.
Взаємодії відрізняються один від одного і кількісно, і якісно. Наприклад, ясно, що чим більше деформується пружина, тим більше взаємодія її витків. Або, чим ближче два однойменних заряду, тим сильніше вони будуть притягуватися. У найпростіших випадках взаємодії кількісною характеристикою є сила. Сила - причина прискорення тіл по відношенню до інерціальній системі відліку або їх деформації. Сила - це
векторна фізична величина, що є мірою прискорення, що придбавається тілами при взаємодії. Сила характеризується: а) модулем; б) точкою докладання; в) напрямом.
Одиниця виміру сили - ньютон. 1 ньютон - це сила, яка тілу масою 1 кг повідомляє прискорення 1 м / с у напрямку дії цієї сили, якщо інші тіла на нього не діють. Рівнодіючої декількох сил називають силу, дія якої еквівалентно дії тих сил, які вона замінює. Рівнодійна є векторної сумою всіх сил, прикладених до тіла.
R = F1 + F2 +...+ Fn,.
Якісно за своїми властивостями взаємодії також різні. Наприклад, електричне і магнітне взаємодії пов'язані з наявністю зарядів у часток або з рухом заряджених частинок. Найбільш просто розрахувати сили в електродинаміки: сила Ампера - F = IlBsina, сила Лоренца - F = qv Bsin a., кулонівська сила - F = q 1 q 2 / r 2; і гравітаційні сили: закон всесвітнього тяжіння-F = Gm 1 m 2 / r 2. Такі механічні сили, як
сила пружності і сила тертя, виникають в результаті електромагнітної взаємодії. Для їх розрахунку необхідно використовувати формули:. Fynp = - kx (закон Гука), Fтр = MN - сила тертя.
На основі дослідних даних були сформульовані закони Ньютона. Другий закон Ньютона. Прискорення, з яким рухається тіло, прямо пропорційно рівнодіючої всіх сил, що діють на тіло, обернено пропорційно його масі і спрямовано так само, як і рівнодіюча сила: а = F / m.
Для вирішення завдань закон часто записують у вигляді: F = та.
Третій закон є узагальненням і звучить так: Тіла діють один на одного з силами рвнимі за модулем і протилежними за напрямом.
Перший закон: існують такі системи відліку, щодо яких поступально рухомі тіло зберігає свою швидкість постійної, якщо на нього не діють інші тіла (або дія інших тіл компенсірутся).
Білет3
Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу в природі і техніці
План відповіді
1. Імпульс тіла. 2. Закон збереження імпульсу. 3. Застосування закону збереження імпульсу. 4. Реактивний рух.
Прості спостереження і досліди доводять, що спокій і рух відносні, швидкість тіла залежить від вибору системи відліку; за другим законом Ньютона, незалежно від того, чи знаходилася тіло в спокої або рухалося, зміна швидкості його руху може відбуватися тільки при дії сили, т. е. в результаті взаємодії з іншими тілами. Однак існують величини, які можуть зберігатися при взаємодії тіл. Такими величинами є енергія і імпульс.
Імпульсом тіла називають векторну фізичну величину, яка є кількісною характеристикою поступального руху тіл. Імпульс позначається р. Одиниця виміру імпульсу Р - кг • м / с. Імпульс тіла дорівнює добутку маси тіла на його швидкість: р = mv. Напрямок вектора імпульсу р збігається з напрямком вектора швидкості тіла v (рис. 4).
Для імпульсу тел виконується закон збереження, який справедливий тільки для замкнених фізичних систем. У загальному випадку замкнутої називають систему, яка не обмінюється енергією і масою з тілами і полями, що не входять в неї. У механіці замкнутої називають систему, на яку не діють зовнішні сили або дія цих сил скомпенсировано. У цьому випадку р 1 = р 2 де р 1 - початковий імпульс системи, а р 2 - кінцевий. У разі двох тіл, що входять в систему, це вираз має вигляд m 1 v 1 + т 2 v 2 = m 1 v 1 '+ т 2 v 2' де т 1 і т 2 - маси тіл, а v 1 і v 2 , - швидкості до взаємодії, v 1 'іv 2' - швидкості після взаємодії. Ця формула і є математичним виразом закону збереження імпульсу: імпульс замкнутої фізичної системи зберігається при будь-яких взаємодіях, які відбуваються всередині цієї системи.
Іншими словами: у замкнутої фізичної системі геометрична сума імпульсів тіл до взаємодії дорівнює геометричній сумі імпульсів цих тіл після взаємодії. У разі незамкненою системи імпульс тіл системи не зберігається. Однак, якщо в системі існує напрямок, по якому зовнішні сили не діють, або дію скомпенсировано, то зберігається проекція імпульсу на цей напрямок. Крім того, якщо час взаємодії мало (постріл, вибух, удар), то за цей час навіть у разі незамкненою системи зовнішні сили незначно змінюють імпульси взаємодіючих тіл. Тому для практичних розрахунків у цьому випадку теж можна застосовувати закон збереження імпульсу.
Експериментальні дослідження взаємодій різних тіл - від планет і зірок до атомів і елементарних часток - показали, що в будь-якій системі взаємодіючих тіл при відсутності дії з боку інших тіл, що не входять в систему або рівність нулю суми діючих сил, геометрична сума імпульсів тіл дійсно залишається незмінною .
У механіці закон збереження імпульсу і закони Ньютона пов'язані між собою. Якщо на тіло масою т протягом часу t діє сила і швидкість його руху змінюється від v 0 до v, то прискорення руху a тіла одно a = (v - v 0) / t. На підставі другого закону Ньютона для сили F можна записати F = та = m (v - v 0) / t, звідси випливає Ft = mv - mv 0.
Ft - векторна фізична величина, що характеризує дію на тіло сили за певний проміжок часу і дорівнює добутку сили на час t її дії, називається імпульсом сили.
Одиниця імпульсу в СІ - Н • с.
Закон збереження імпульсу лежить в основі реактивного руху. Реактивний рух - це такий рух тіла, яке виникає після відокремлення від тіла його частини.
Нехай тіло масою т покоїлося. Від тіла відокремилася якась його частина т 1 зі швидкістю v 1. Тоді
решта прийде в рух у протилежний бік зі швидкістю v 2, маса залишилася, т 2 Дійсно, сума імпульсів обох частин тіла до відділення була дорівнює нулю і після поділу буде дорівнює нулю:
т 1 v 1 + m 2 v 2 = 0, звідси v 1 =-m 2 v 2 / m 1.
Велика заслуга в розвитку теорії реактивного руху належить К. Е. Ціолковського.
Він розробив теорію польоту тіла змінної маси (ракети) в однорідному полі тяжіння і розрахував запаси палива, необхідні для подолання сили земного тяжіння; основи теорії рідинного реактивного двигуна, а так само елементи його конструкції, теорію багатоступеневих ракет, причому запропонував два варіанти: паралельний ( кілька реактивних двигунів працюють одночасно) і послідовний (реактивні двигуни працюють один за одним). К. Е. Ціолковський суворо науково довів можливість польоту в космос за допомогою ракет з рідинним реактивним двигуном, запропонував спеціальні траєкторії посадки космічних апаратів на Землю, висунув ідею створення міжпланетних орбітальних станцій і детально розглянув умови життя і життєзабезпечення на них. Технічні ідеї Ціолковського знаходять застосування при створенні сучасної ракетно-космічної техніки. Рух за допомогою реактивного струменя, за законом збереження імпульсу, лежить в основі гідрореактивний двигуна. В основі руху багатьох морських молюсків (восьминогів, медуз, кальмарів, каракатиць) також лежить реактивний принцип.
Білет № 4
Закон всесвітнього тяжіння. Сила тяжіння. Вага тіла. Невагомість
План відповіді
1. Сили гравітації. 2. Закон всесвітнього тяжіння. 3. Фізичний сенс гравітаційної постійної. 4. Сила тяжіння. 5. Вага тіла, перевантаження. 6. Невагомість.
Ісаак Ньютон висунув припущення, що між будь-якими тілами в природі існують сили взаємного тяжіння. Ці сили називають силами гравітації, або силами всесвітнього тяжіння. Сила всесвітнього тяжіння виявляється в Космосі, Сонячну систему і на Землі. Ньютон узагальнив закони руху небесних тіл і з'ясував, що F = G (m 1 * m 2) / R 2, де G - коефіцієнт пропорційності, називається гравітаційною сталою. Чисельне значення гравітаційної постійної досвідченим шляхом визначив Кавендіш, вимірюючи силу взаємодії між свинцевими кулями. В результаті закон всесвітнього тяжіння звучить так: між будь-якими матеріальними точками існує сила взаємного тяжіння, прямо пропорційна добутку їх мас і обернено пропорційна квадрату відстані між ними, діюча по лінії, що з'єднує ці точки.
Рис. 5 |
Приватним видом сили всесвітнього тяжіння є сила тяжіння тіл до Землі (або до іншої планети). Цю силу називають силою тяжіння. Під дією цієї сили всі тіла набувають прискорення вільного падіння. Згідно з другим законом Ньютона g = f т / m, отже, f т = mg. Сила тяжіння завжди спрямована до центру Землі. У залежності від висоти h над поверхнею Землі і географічної широти положення тіла прискорення вільного падіння набуває різні значення. На поверхні Землі і в середніх широтах прискорення вільного падіння одно 9,831 м / с 2.
У техніці й побуті широко використовується поняття ваги тіла. Вагою тіла називають силу, з якою тіло тисне на опору або підвіс в результаті гравітаційного тяжіння до планети (мал. 5). Вага тіла позначається Р. Одиниця виміру ваги - 1 Н. Оскільки вага дорівнює силі, з якою тіло діє на опору, то відповідно до третім законом Ньютона за величиною вага тіла дорівнює силі реакції опори. Тому, щоб знайти вага тіла, необхідно знайти, чому дорівнює сила реакції опори.
Розглянемо випадок, коли тіло разом з опорою не рухається. У цьому випадку сила реакції опори, а отже, і вага тіла дорівнює силі тяжіння (рис. 6): р = N = mg.
У проекції на вісь OX: - mg + N = та, звідси N = m (g + а).
Хт-амплітуда w - частота зовнішньої сили w0 - частота власних коливань |
Якщо тіло рухається Вниз по вертикалі, то за допомогою аналогічних міркувань отримуємо mg +
+ N = ту; mg - N = ту; N = m (g-а); Р = m (g - а), т. е. вага при русі по вертикалі з прискоренням буде менше сили тяжіння.
Якщо тіло вільно падає, в цьому випадку Р = (g - g) m = 0.
Стан тіла, в якому його вага дорівнює нулю, називають невагомістю. Стан невагомості спостерігається в літаку або космічному кораблі при русі з прискоренням вільного падіння незалежно від напрямку і значення швидкості їх руху. За межами земної атмосфери при вимиканні реактивних двигунів на космічний корабель діє тільки сила всесвітнього тяжіння. Під дією цієї сили космічний корабель і всі тіла, що знаходяться в ньому, рухаються з однаковим прискоренням, тому в кораблі спостерігається стан невагомості.
Білет5
Перетворення енергії при механічних коливаннях. Вільні і вимушені коливання. Резонанс
План відповіді
1. Визначення коливального руху. 2. Вільні коливання. 3. Перетворення енергії. 4. Вимушені коливання.
Механічними коливаннями називають рухи тіла, що повторюються точно або приблизно через однакові проміжки часу. Основними характеристиками механічних коливань є: зсув, амплітуда, частота, період. Зсув - це відхилення від положення рівноваги. Амплітуда - модуль максимального відхилення від положення рівноваги. Частота - кількість повних коливань, скоєних в одиницю часу. Період - час одного повного коливання, т . тобто мінімальний проміжок часу, через який відбувається повторення процесу. Період і частота зв'язані співвідношенням: v = 1 / T.
Найпростіший вид коливального руху - гармонійні коливання, при яких коливається величина змінюється з часом за законом синуса або косинуса (рис. 8).
Розглянемо процес перетворення енергії на прикладі коливань вантажу на нитці (див. рис. 9).
При відхиленні маятника від положення рівноваги він піднімається на висоту h щодо нульового рівня, отже, в точці А маятник має потенційну енергією mgh. При русі до стану рівноваги, до точки О, зменшується висота до нуля, а швидкість вантажу збільшується, і в точці О вся потенційна енергія mgh перетвориться на кінетичну енергію mv р / 2. У положенні рівноваги кінетична енергія має максимальне значення, а потенційна енергія мінімальна. Після проходження положення рівноваги відбувається перетворення кінетичної енергії в потенційну, швидкість маятника зменшується і при максимальному відхиленні від положення рівноваги стає рівною нулю. При коливальному русі завжди відбуваються періодичні перетворення його кінетичної і потенційної енергій.
При вільних механічних коливаннях неминуче відбувається втрата енергії на подолання сил опору. Якщо коливання відбуваються під дією періодично діючої зовнішньої сили, то такі коливання називають вимушеними. Наприклад, батьки розгойдують дитини на гойдалці, поршень рухається в циліндрі двигуна автомобіля, коливаються ніж електробритви і голка швейної машини. Характер вимушених коливань залежить від характеру дії зовнішньої сили, від її величини, напрями, частоти дії і не залежить від розмірів та властивостей коливного тіла. Наприклад, фундамент мотора, на якому він закріплений, здійснює вимушені коливання з частотою, яка визначається тільки числом оборотів мотора, і не залежить від розмірів фундаменту.
При збігу частоти зовнішньої сили і частоти власних коливань тіла амплітуда вимушених коливань різко зростає. Таке явище називають механічним резонансом. Графічно залежність вимушених коливань від частоти дії зовнішньої сили показана на малюнку 10.
Явище резонансу може бути причиною руйнування машин, будівель, мостів, якщо власні їх частоти співпадають з частотою періодично діючої сили. Тому, наприклад, двигуни в автомобілях встановлюють на спеціальних амортизаторах, а військовим підрозділам при русі по мосту забороняється йти «в ногу».
При відсутності тертя амплітуда вимушених коливань при резонансі повинна зростати з часом необмежено. У реальних системах амплітуда в усталеному режимі резонансу визначається умовою втрат енергії протягом періоду і роботи зовнішньої сили за той же час. Чим менше тертя, тим більше амплітуда при резонансі.
Білет № 6
Дослідне обгрунтування основних положень МКТ будови речовини. Маса і розмір молекул. Постійна Авогадро
План відповіді
1. Основні положення. 2. Досвідчені докази. 3. Мікрохарактерістікі речовини.
Молекулярно-кінетична теорія - це розділ фізики, що вивчає властивості різних станів речовини, що грунтується на уявленнях про існування молекул і атомів, як дрібних частинок речовини. В основі МКТ лежать три основні положення:
1. Всі речовини складаються з найдрібніших частинок: молекул, атомів або іонів.
2. Ці частинки знаходяться в безперервному хаотичному русі, швидкість якого визначає температуру речовини.
3. Між частинками існують сили тяжіння і відштовхування, характер яких залежить від відстані між ними.
Основні положення МКТ підтверджуються багатьма досвідченими фактами. Існування молекул, атомів та іонів доведено експериментально, молекули достатньо вивчені і навіть сфотографовані за допомогою електронних мікроскопів. Здатність газів необмежено розширюватися і займати весь наданий їм об'єм пояснюється безперервним хаотичним рухом молекул. Пружність газів, твердих і рідких тіл, здатність рідин
змочувати деякі тверді тіла, процеси фарбування, склеювання, збереження форми твердими тілами і багато іншого говорять про існування сил тяжіння і відштовхування між молекулами. Явище дифузії - здатність молекул однієї речовини проникати в проміжки між молекулами іншого - теж підтверджує основні положення МКТ. Явищем дифузії пояснюється, наприклад, поширення запахів, змішування різнорідних рідин, процес розчинення твердих тіл в рідинах, зварювання металів шляхом їх расплавле-ня або шляхом тиску. Підтвердженням безперервного хаотичного руху молекул є також і броунівський рух - безперервне хаотичний рух мікроскопічних часток, нерозчинних в рідині.
Рух броунівським частинок пояснюється хаотичним рухом частинок рідини, які стикаються з мікроскопічними частинками і приводять їх у рух. Досвідченим шляхом було доведено, що швидкість броунівським частинок залежить від температури рідини. Теорію броунівського руху розробив А. Ейнштейн. Закони руху частинок носять статистичний, імовірнісний характер. Відомий тільки один спосіб зменшення інтенсивності броунівського руху - зменшення температури. Існування броунівського руху переконливо підтверджує рух молекул.
Будь-яка речовина складається з частинок, тому кількість речовини прийнято вважати пропорційним числу частинок, тобто структурних елементів, що містяться в тілі, v.
Одиницею кількості речовини є моль. Моль - це кількість речовини, що містить стільки ж структурних елементів будь-якої речовини, скільки міститься атомів у 12 г вуглецю С 12. Відношення числа молекул речовини до кількості речовини називають постійної Авогадро:
n a = N / v. na = 6,02 • жовтня 1923 моль-1.
Постійна Авогадро показує, скільки атомів і молекул міститься в одному молі речовини. Молярною масою називають величину, рівну відношенню маси речовини до кількості речовини:
М = m / v.
Молярна маса виражається в кг / моль. Знаючи молярну масу, можна обчислити масу однієї молекули:
m 0 = m / N = m / vN A = М / N A
Середня маса молекул зазвичай визначається хімічними методами, постійна Авогадро з високою точністю визначена кількома фізичними методами. Маси молекул і атомів зі значним ступенем точності визначаються за допомогою мас-спектрографа.
Маси молекул дуже малі. Наприклад, маса молекули води: т = 29,9 • 10 -27 кг.
Молярна маса пов'язана з відносною молекулярною масою Mr. Відносна молярна маса - це величина, що дорівнює відношенню маси молекули даної речовини до 1 / 12 маси атома вуглецю С 12. Якщо відома хімічна формула речовини, то за допомогою таблиці Менделєєва може бути визначена його відносна маса, яка, будучи виражена в кілограмах, показує величину молярної маси цієї речовини.
Діаметром молекули прийнято вважати мінімальну відстань, на яку їм дозволяють зблизитися сили відштовхування. Однак поняття розміру молекули є умовним. Середній розмір молекул порядку 10 -10 м.
Білет № 7
Ідеальний газ. Основне рівняння МКТ ідеального газу. Температура та її вимірювання. Абсолютна температура
План відповіді
1. Поняття ідеального газу, властивості. 2. Пояснення тиску газу. 3. Необхідність вимірювання температури. 4. Фізичний сенс температури. 5. Температурні шкали. 6. Абсолютна температура.
Для пояснення властивостей речовини в газоподібному стані використовується модель ідеального газу. Ідеальним прийнято вважати газ, якщо:
а) між молекулами відсутні сили тяжіння, тобто молекули поводяться як абсолютно пружні тіла;
б) газ дуже розряджений, тобто відстань між молекулами набагато більше розмірів самих молекул;
в) теплова рівновага по всьому об'єму досягається миттєво. Умови, необхідні для того, щоб реальний газ знайшов властивості ідеального, здійснюються при відповідному розрядженні реального газу. Деякі гази навіть при кімнатній температурі і атмосферному тиску слабо відрізняються від ідеальних.
Основними параметрами ідеального газу є тиск, об'єм і температура.
Одним з перших і важливих успіхів МКТ було якісне і кількісне пояснення тиску газу на стінки посудини. Якісне пояснення полягає в тому, що молекули газу при зіткненнях зі стінками посудини взаємодіють з ними за законами механіки як пружні тіла, і передають свої імпульси стінок посудини.
На підставі використання основних положень молекулярно-кінетичної теорії було отримано основне рівняння МКТ ідеального газу, яке виглядає так: р = 1 / 3 т 0 пv 2.
Тут р - тиск ідеального газу, m 0 -
маса молекули, п - концентрація молекул, v 2 - середній квадрат швидкості молекул.
Позначивши середнє значення кінетичної енергії поступального руху молекул ідеального газу Е k отримаємо основне рівняння МКТ ідеального газу у вигляді: р = 2/3nЕ k.
E k = 3 / 2 kT, де k = 1,38 • 10 -23 Дж / К і називається постійної Больцмана.
Температура всіх частин ізольованої системи, що перебуває в рівновазі, однакова. Вимірюється температура термометрами в градусах різних температурних шкал. Існує абсолютна термодинамічна шкала (шкала Кельвіна) і різні емпіричні шкали, які відрізняються початковими точками. До введення абсолютної шкали температур в практиці широке поширення набула шкала Цельсія (за О ° С прийнята точка замерзання води, за 100 ° С прийнята точка кипіння води при нормальному атмосферному тиску).
Одиниця температури за абсолютною шкалою називається Кельвіном і обрано рівної одному градусу за шкалою Цельсія 1 К = 1 ° С. У шкалі Кельвіна за нуль прийнятий абсолютний нуль температур, тобто температура, при якій тиск ідеального газу при постійному об'ємі дорівнює нулю. Обчислення дають результат, що абсолютний нуль температури дорівнює -273 ° С. Таким чином, між абсолютною шкалою температур і шкалою Цельсія існує зв'язок Т = t ° С + 273. Абсолютний нуль температур недосяжний, так як будь-яке охолодження засноване на випаровуванні молекул з поверхні, а при наближенні до абсолютного нуля швидкість поступального руху молекул настільки сповільнюється, що випаровування практично припиняється. Теоретично при абсолютному нулі швидкість поступального руху молекул дорівнює нулю, тобто припиняється тепловий рух молекул.
Білет № 8
Рівняння стану ідеального газу. (Рівняння Менделєєва-Клапейрона.) Ізопропесси
План відповіді
1. Рівняння стану. 2. Рівняння Менделєєва-Клапейрона. 3. Процеси в газах. 4. Ізопроцесси. 5. Графіки ізопроцессов.
Стан даної маси повністю визначене, якщо відомі тиск, температура і обсяг газу. Ці величини називають параметрами стану газу. Рівняння, що зв'язує параметри стану, називають рівнянням стану.
Для довільної маси газу одиничне стан газу описується рівнянням Менделєєва-Клапейрона: pV = mRT / M, де р - тиск, V -
обсяг, т - маса, М - молярна маса, R - універсальна газова стала. Фізичний сенс універсальної газової постійної в тому, що вона показує, яку роботу виконує один моль ідеального газу при Ізобаричний розширенні при нагріванні на 1 К (R = 8,31 Дж / моль • К).
Рівняння Менделєєва-Клапейрона показує, що можливо одночасно зміна п'яти параметрів, що характеризують стан ідеального
газу. Однак багато процесів у газах, що відбуваються в природі і здійснювані в техніці, можна розглядати наближено як процеси, в яких змінюються лише два параметри з п'яти. Особливу роль у фізиці і техніці грають три процеси: ізотермічний, Ізохоричний та ізобарний.
Ізопроцессом називають процес, що відбувається з цією масою газу при одному постійному параметрі - температурі, тиску або обсязі. З рівняння стану як приватні випадки виходять закони для ізопроцессов.
Ізотермічним називають процес, що протікає при постійній температурі. Т = const. Він описується законом Бойля-Маріотта. PV = const.
Ізохоричний називають процес, що протікає при постійному обсязі. Для нього справедливий закон Шарля. V = const. P / T = const.
Реальні гази задовольняють рівняння стану ідеального газу при не дуже високих тисках (поки власний об'єм молекул зневажливо малий у порівнянні з об'ємом посудини, в якому знаходиться газ) і при не дуже низьких температурах (поки потенційної енергією міжмолекулярної взаємодії можна знехтувати в порівнянні з кінетичною енергією теплового руху молекул), тобто для реального газу це рівняння і його наслідки є хорошим наближенням.
Білет № 9
Випаровування і конденсація. Насичені і ненасичені пари. Вологість повітря. Вимірювання вологості повітря
План відповіді
1. Основні поняття. 2. Водяна пара в атмосфері. 3. Абсолютна і відносна вологість. 4. Точка роси. 5. Прилади для вимірювання вологості.
Випаровування - пароутворення, яке відбувається при будь-якій температурі з вільної поверхні рідини. Нерівномірний розподіл кінетичної енергії теплового руху молекул призводить до того, що при будь-якій температурі кінетична енергія деяких молекул рідини або твердого тіла може перевищувати потенційну енергію їх зв'язки з іншими молекулами. Більшої кінетичної енергією мають молекули, що мають велику швидкість, а температура тіла залежить від швидкості
руху його молекул, отже, випаровування супроводжується охолодженням рідини. Швидкість випаровування залежить: від площі відкритої поверхні, температури, концентрації молекул поблизу рідини. Конденсація - процес переходу речовини з газоподібного стану в рідкий.
Випаровування рідини в закритому посуді при незмінній температурі призводить до поступового збільшення концентрації молекул випаровується речовини в газоподібному стані. Через деякий час після початку випаровування концентрація речовини в газоподібному стані досягне такого значення, при якому число молекул, які повертаються в рідину, стає рівним числу молекул, що залишають рідину за той же час. Встановлюється динамічна рівновага між процесами випаровування та конденсації речовини. Речовина в газоподібному стані, що знаходиться у динамічній рівновазі з рідиною, називають насиченою парою. (Пором називають сукупність молекул, які залишили рідину в процесі випаровування.) Пар, який знаходиться при тиску нижче насиченого, називають ненасиченим.
Внаслідок постійного випаровування води з поверхонь водойм, грунту і рослинного покриву, а також дихання людини і тварин в атмосфері завжди міститься водяна пара. Тому атмосферний тиск представляє собою суму тиску сухого повітря і що у ньому водяної пари. Тиск водяної пари буде максимальним при насиченні повітря парою. Насичений пар на відміну від ненасиченого не підкоряється законам ідеального газу. Так, тиск насиченої пари не залежить від обсягу, але залежить від температури. Ця залежність не може бути виражена простою формулою, тому на основі експериментального вивчення залежності тиску насиченої пари від температури складені таблиці, за якими можна визначити його тиск при різних температурах.
Тиск водяної пари, що знаходиться в повітрі при даній температурі, називають абсолютною вологістю, або пружністю водяної пари. Оскільки тиск пари пропорційно концентрації молекул, можна визначити абсолютну вологість як щільність водяної пари, що знаходиться в повітрі при даній температурі, виражену в кілограмах на метр кубічний (р).
Більшість явищ, що спостерігаються в природі, наприклад швидкість випаровування, висихання різних речовин, в'янення рослин, залежить не від кількості водяної пари в повітрі, а від того, наскільки це кількість близько до насичення, тобто від відносної вологості, яка характеризує ступінь насичення повітря водяною парою.
Відносна вологість коливається в широких межах. Причому добовий хід відносної вологості обернений добовому ходу температури. Вдень, з зростанням температури, і отже, з ростом тиску насичення відносна вологість убуває, а вночі зростає. Одне і те ж кількість водяної пари може або насичувати, або не насичувати повітря. Знижуючи температуру повітря, можна довести що знаходиться в ньому пар до насичення. Точкою роси називають температуру, при якій пар, що знаходиться в повітрі, стає насиченим. При досягненні точки роси в повітрі або на предметах, з якими він стикається, починається конденсація водяної пари. Для визначення вологості повітря використовуються прилади, які називаються гігрометрами і психрометрами.
Білет № 10
Кристалічні та аморфні тіла. Пружні та пластичні деформації твердих тіл.
План відповіді
1. Тверді тіла. 2. Кристалічні тіла. 3. Моно-і полікристали. 4. Аморфні тіла. .5. Пружність. 6. Пластичність.
Кожен може легко розділити тіла на тверді і рідкі. Але це розподіл буде тільки за зовнішніми ознаками. Для того щоб з'ясувати, якими ж властивостями володіють тверді тіла, будемо їх нагрівати. Одні тіла почнуть горіти (дерево, вугілля) - це органічні речовини. Інші будуть розм'якшуватися (смола) навіть при невисоких температурах - це аморфні. Треті будуть змінювати свій стан при нагріванні так, як показано на графіку (рис. 12). Це і є кристалічні тіла. Така поведінка кристалічних тіл при нагріванні пояснюється їх внутрішньою будовою. Кристалічні тіла - це такі тіла, атоми і молекули яких розташовані в певному порядку, і цей порядок зберігається на досить великій відстані. Просторове періодичне розташування атомів або іонів у кристалі називають кристалічною решіткою. Точки кристалічної решітки, в яких розташовані атоми чи іони, називають вузлами кристалічної решітки.
Кристалічні тіла бувають монокристалами і полікристалів. Монокристал має єдиної кристалічною решіткою у всьому обсязі.
Анізотропія монокристалів полягає в залежності їх фізичних властивостей від напрямку. Полікристали представляє собою з'єднання дрібних, різним чином орієнтованих монокристалів (зерен) і не має анізотропією властивостей.
Більшість твердих тіл мають полікристалічні будову (мінерали, сплави, кераміка).
Основними властивостями кристалічних тіл є: визначеність температури плавлення, пружність, міцність, залежність властивостей від порядку розташування атомів, тобто від типу кристалічної решітки.
Аморфними називають речовини, у яких відсутній порядок розташування атомів і молекул по всьому об'єму цієї речовини. На відміну від кристалічних речовин аморфні речовини ізотропні. Це означає, що властивості однакові в усіх напрямках. Перехід з аморфного стану в рідкий відбувається поступово, відсутня певна температура плавлення. Аморфні тіла не мають пружністю, вони пластичні. У аморфному стані знаходяться різні речовини: скла, смоли, пластмаси і т. п.
Пружність - властивість тіл відновлювати свою форму і об'єм після припинення дії зовнішніх сил або інших причин, що викликали деформацію тел. Для пружних деформацій справедливий закон Гука, згідно з яким пружні деформації прямо пропорційні викликають їх зовнішніх впливів, де - механічна напруга,
Закон Гука -
Механічне напруга -
Пластичність - властивість твердих тіл під дією зовнішніх сил змінювати, не руйнуючись, свою форму і розміри і зберігати залишкові деформації після того, як дія цих сил припиниться.
Білет № 11
Робота в термодинаміці. Внутрішня енергія. Перший закон термодинаміки. Застосування першого закону до ізопроцессам. Адіабатний процес.
План відповіді
1. Внутрішня енергія та її вимірювання. 2. Робота в термодинаміці. 3. Перший закон термодинаміки. 4. Ізопроцесси. 5. Адіабатний процес.Кожне тіло має цілком певну структуру, воно складається з частинок, які хаотично рухаються і взаємодіють один з одним, тому будь-яке тіло має внутрішню енергію. Внутрішня енергія - це величина, що характеризує власний стан тіла, тобто енергія хаотичного (теплового) руху мікрочастинок системи (молекул, атомів, електронів, ядер і т. д.) і енергія взаємодії цих частинок. Внутрішня енергія одноатомного ідеального газу визначається за формулою U = 3 / 2 • т / М • RT.
Внутрішня енергія тіла може змінюватися тільки в результаті його взаємодії з іншими тілами. Існують два способи зміни внутрішньої енергії: теплопередача і вчинення механічної роботи (наприклад, нагрівання при терті або при стисненні, охолодження при розширенні).
Теплопередача - це зміна внутрішньої енергії без здійснення роботи: енергія передається від більш нагрітих тіл до менш нагрітих. Теплопередача буває трьох видів: теплопровідність (безпосередній обмін енергією між хаотично рухаються частками взаємодіючих тіл або частин одного і того ж тіла); конвекція (перенесення енергії потоками рідини чи газу) і випромінювання (перенесення енергії електромагнітними хвилями). Мірою переданої енергії при теплопередачі є кількість теплоти (Q).
Закон збереження енергії: зміна внутрішньої енергії замкнутої системи дорівнює сумі кількості теплоти, переданої системі, і роботи зовнішніх сил, досконалої над системою.
Δ U = Q + А, де Δ U - зміна внутрішньої енергії, Q - к-ть теплоти вибраного системі, А - робота зовнішніх сил
Якщо система сама здійснює роботу, то її умовно позначають А '. Тоді перший закон термодинаміки можна записати так: Q = А' + Δ U
Тобто : Кількість теплоти, передане системі, йде на вчинення системою роботи та зміна її внутрішньої енергії.
При Ізобаричний нагріванні газ здійснює роботу над зовнішніми силами А "= p (V 2 - V 1) = p Δ V
Якщо процес не є ізобарний, величина роботи мотет бути визначена площею фігури ABCD, укладеної між лінією, що виражає залежність p (V), і поч. і конеч. Обсягами газу. (Рис. 13)
Розглянемо застосування першого закону термодинаміки до ізопроцессам, що відбувається з ідеальним газом.
У ізотермічному процесі температура постійна, отже, внутрішня енергія не змінюється. Тоді рівняння першого закону термодинаміки прийме вигляд: Q = А ', т. е. кількість теплоти, передане системі, йде на здійснення роботи при ізотермічному розширенні, саме тому температура не змінюється.
У Ізобаричний процесі газ розширюється і кількість теплоти, передане газу, йде на збільшення внутрішньої енергії і на вчинення ним роботи: Q = Δ U + А '.
При ізохоричному процесі газ не змінює свого об'єму, отже, робота їм не відбувається, тобто, А = О, і рівняння першого закону має вигляд:
Q = Δ U, тобто передане кількість теплоти йде на збільшення внутрішньої енергії газу.
Адіабатних називають процес, що протікає без теплообміну з навколишнім середовищем. Q = 0, отже, газ при розширенні здійснює роботу за рахунок зменшення його внутрішньої енергії, отже, газ охолоджується, Α '= Δ U. Крива, що зображає Адіабатний процес, називається адіабати.
Білет № 12
Взаємодія заряджених тіл. Закон Кулона. Закон збереження електричного заряду
План відповіді
1. Електричний заряд. 2. Взаємодія заряджених тіл. 3. Закон збереження електричного заряду. 4. Закон Кулона. 5. Діелектрична проникність. 6. Електрична постійна. 7. Напрямок кулонівських сил.Закони взаємодії атомів і молекул вдається зрозуміти і пояснити на основі знань про будову атома, використовуючи планетарну модель його будови. В центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, навколо якого обертаються по визначених орбітах негативно заряджені частинки. Взаємодія між зарядженими частинками називається електромагнітним. Інтенсивність електромагнітного взаємодії визначається фізичною величиною - електричним зарядом, який позначається q. Одиниця виміру електричного заряду - кулон (Кл). 1 кулон - це такий електричний заряд, який, проходячи через поперечний переріз провідника за 1 с, створює в ньому струм силою 1 А. Здатність електричних зарядів як до взаємного тяжіння, так і до взаємного відштовхуванню пояснюється існуванням двох видів зарядів. Один вид заряду назвали позитивним, носієм елементарного позитивного заряду є протон. Інший вид заряду назвали негативним, його носієм є електрон. Елементарний заряд дорівнює е = 1,6 • 10 -19 Кл.
Заряд тіла завжди представляється числом, кратним розміром елементарного заряду: q = e (N p - N e) де N p - кількість електронів, N e - кількість протонів.
Повний заряд замкнутої системи (В яку не входять заряди ззовні), тобто алгебраїчна сума зарядів всіх тіл залишається сталою: q 1 + q 2 + ... + q n = Const. Електричний заряд не створюється і не зникає, а тільки переходить від одного тіла до іншого. Цей експериментально встановлений факт називається законом збереження електричного заряду. Ніколи і ніде в природі не виникає і не зникає електричний заряд одного знака. Поява і зникнення електричних зарядів на тілах в більшості випадків пояснюється переходами елементарних заряджених частинок - електронів - від одних тіл до інших.
Електризація - це повідомлення тілу електричного заряду. Електризація може відбуватися, наприклад, при зіткненні (терті) різнорідних речовин і при опроміненні. При електризації у тілі виникає надлишок або недолік електронів.
У випадку надлишку електронів тіло набуває негативний заряд, у разі нестачі - позитивний.
Закони взаємодії нерухомих електричних зарядів вивчає електростатика.
Основний закон електростатики був експериментально встановлений французьким фізиком Шарлем Кулоном і читається так. Модуль сили взаємодії двох точкових нерухомих електричних зарядів у вакуумі прямо пропорційний твору величин цих зарядів і обернено пропорційний квадрату відстані між ними.
F = k • q 1 q 2 / r 2, де q 1 та q 2 - модулі зарядів, r - відстань між ними, k - коефіцієнт пропорційності, що залежить від вибору системи одиниць, в СІ k = 9 • 10 вересня Н • м 2 / Кл 2 . Величина, що показує у скільки разів сила взаємодії зарядів у вакуумі більше, ніж у середовищі, називається діелектричною проникністю середовища ε. Для середовища з діелектричною проникністю ε закон Кулона записується таким чином: F = k • q 1 q 2 / (ε • r 2)
Замість коефіцієнта k часто використовується коефіцієнт, званий електричної постійної ε 0. Електрична стала пов'язана з коефіцієнтом k наступним чином k = 1/4π ε 0 і чисельно дорівнює ε 0 = 8,85 • 10 -12 Кл / Н • м 2.
З використанням електричної постійної закон Кулона має вигляд: F = (1/4π ε 0) • (q 1 q 2 / r 2)
Взаємодія нерухомих електричних зарядів називають електростатичним, або кулонівським, взаємодією. Кулонівські сили можна зобразити графічно (рис. 14, 15).
Кулонівська сила спрямована вздовж прямої, що з'єднує заряджені тіла. Вона є силою тяжіння при різних знаках зарядів і силою відштовхування при однакових знаках.
Білет № 14
Робота і потужність в ланцюзі постійного струму. Електрорушійна сила. Закон Ома для повного кола
План відповіді
1. Робота струму. 2. Закон Джоуля-Ленца 3. Електрорушійна сила. 4. Закон Ома для повного кола.В електричному полі з формули визначення напруги (U = A / q) легко отримати вираз для розрахунку роботи перенесення електричного заряду А = Uq, так як для струму заряд q = It, то робота струму: А = Ult, або А = I 2 R t = U 2 / R • t.
Потужність, за визначенням, N = A / t, отже, N = UI = I 2 R = U 2 / R.
Російський учений X. Ленц та англійський вчений Джоуль досвідченим шляхом у середині минулого століття встановили незалежно один від одного закон, який називається законом Джоуля-Ленца і читається так. При проходженні струму по провіднику кількість теплоти, що виділилася в провіднику, прямо пропорційно квадрату сили, струму, опору провідника і часу проходження струму.
Q = I 2 Rt.
Повна замкнута ланцюг представляє собою електричну ланцюг, до складу якої входять зовнішні опору і джерело струму (рис. 18). Як одну з ділянок ланцюга, джерело струму має опір, яке називають внутрішнім, м.
Для того щоб струм проходив по замкнутому ланцюзі, необхідно, щоб у джерелі струму зарядам повідомлялася додаткова енергія, вона береться за рахунок роботи з переміщення зарядів, яку виробляють сили неелектричного походження (сторонні сили) проти сил електричного поля. Джерело струму характеризується енергетичної характеристикою, яка називається ЕРС - електрорушійна сила джерела. ЕРС - характеристика джерела енергії неелектричної природи в електричному ланцюзі, необхідного для підтримки в ній електричного струму. ЕРС вимірюється ставленням роботи сторонніх сил по переміщенню вздовж замкнутого ланцюга позитивного заряду до цього заряду ξ = A ст / q
Білет № 15
Магнітне поле, умови його існування. Дія магнітного поля на електричний заряд і досліди, що підтверджують цю дію. Магнітна індукція
План відповіді
1. Досліди Ерстеда і Ампера. 2. Магнітне поле. 3. Магнітна індукція. 4. Закон Ампера.
У 1820 р. датський фізик Ерстед виявив, що магнітна стрілка повертається при пропущенні електричного струму через провідник, що знаходиться біля неї (рис. 19). У тому ж році французький фізик Ампер встановив, що два провідники, розташовані паралельно один одному, відчувають взаємне тяжіння, якщо струм тече по ним в одну сторону, і відштовхування, якщо струми течуть у різні сторони (рис. 20). Явище взаємодії струмів Ампер назвав електродинамічних взаємодією. Магнітне взаємодія рухомих електричних зарядів, згідно з уявленнями теорії блізкодействія, пояснюється наступним чином:
всякий рухомий електричний заряд створює в навколишньому просторі магнітне поле. Магнітне поле - особливий вид матерії, який виникає в просторі навколо будь-якого змінного електричного поля.
З сучасної точки зору в природі існує сукупність двох полів - електричного і магнітного - це електромагнітне поле, воно являє собою особливий вид матерії, тобто існує об'єктивно, незалежно від нашої свідомості. Магнітне поле завжди породжується змінним електричним, і, навпаки, змінне електричне поле завжди породжує змінне магнітне поле. Електричне поле, взагалі кажучи, можна
розглядати окремо від магнітного, так як носіями його є частки - електрони і протони. Магнітне поле без електричного не існує, так як носіїв магнітного поля немає. Навколо провідника зі струмом існує магнітне поле, і воно породжується змінним електричним полем рухомих заряджених частинок у провіднику.
Магнітне поле є силовим полем. Силовий характеристикою магнітного поля називають магнітну індукцію (В). Магнітна індукція - це векторна фізична величина, що дорівнює максимальній силі, що діє з боку магнітного поля на одиничний елемент струму. В = F / II. Одиничний елемент струму - це провідник довжиною 1 м і силою струму в ньому 1 А. Одиницею виміру магнітної індукції є тесла. 1 Тл = 1 Н / А • м.
Магнітна індукція завжди породжується в площині під кутом 90 ° до електричного поля. Навколо провідника зі струмом магнітне поле також існує в перпендикулярній провідникові площині.
Магнітне поле є вихровим полем. Для графічного зображення магнітних полів вводяться силові лінії, або лінії індукції, - це такі лінії, в кожній точці яких вектор магнітної індукції направлений по дотичній. Напрямок силових ліній знаходиться за правилом свердлика. Якщо буравчик угвинчувати по напрямку струму, то напрямок обертання рукоятки співпаде з напрямком силових ліній. Лінії магнітної індукції прямого проводу з струмом являють собою концентричні кола, розташовані в площині, перпендикулярної провіднику (рис. 21).
Як встановив Ампер, на провідник зі струмом, вміщений в магнітне поле, діє сила. Сила, що діє з боку, магнітного поля на провідник з струмом, прямо пропорційна силі струму. довжині провідника в магнітному полі та перпендикулярної складової вектора магнітної індукції. Це і є формулювання закону Ампера, який записується так: F a = ПВ sin α.
Білет № 16
Напівпровідники. Власна і домішкова провідність напівпровідників. Напівпровідникові прилади
План відповіді
1. Визначення. 2. Власна провідність. 3. Донорний провідність. 4. Акцепторная провідність. 5. Р-п перехід. 6. Напівпровідникові прилади. 7. Застосування напівпровідників.Напівпровідники - це речовини, питомий опір яких зменшується з підвищенням температури, наявності домішок, зміни освітленості. За цим властивостям вони разюче відрізняються від металів. Зазвичай до напівпровідників відносяться кристали, в яких для звільнення електрона потрібно енергія не більше 1,5 - 2 еВ. Типовими напівпровідниками є кристали германію та кремнію, в яких атоми об'єднані ковалентним зв'язком. Природа цієї зв'язку дозволяє пояснити зазначені вище характерні властивості. При нагріванні напівпровідників їх атоми іонізуються. Вивільнені електрони не можуть бути захоплені сусідніми атомами, так як всі їх валентні зв'язки насичені. Вільні електрони під дією зовнішнього електричного поля можуть переміщатися в кристалі, створюючи струм провідності. Видалення електрона з зовнішньої оболонки одного з атомів в кристалічній решітці призводить до утворення позитивного іона. Цей іон може нейтралізуватися, захопивши електрон. Далі, в результаті пере-
ходів від атомів до позитивних іонів відбувається процес хаотичного переміщення в кристалі місця з недостатнім електроном. Зовні цей процес хаотичного переміщення сприймається як переміщення позитивного заряду, званого «діркою». При приміщенні кристала в електричне поле виникає впорядкований рух «дірок» - ток поверхнями.
В ідеальному кристалі струм створюється рівною кількістю електронів і «дірок». Такий тип провідності називають власною провідністю напівпровідників. При підвищенні температури (або освітленості) власна провідність провідників збільшується.
На провідність напівпровідників великий вплив мають домішки. Домішки бувають до-нірні і акцепторні. Донорний домішка - це домішка з більшою валентністю. При додаванні донорної домішки в напівпровіднику утворюються зайві електрони. Провідність стане електронною, а напівпровідник називають напівпровідником n-типу. Наприклад, для кремнію з валентністю п = 4 донорной домішкою є миш'як з валентністю п = 5. Кожен атом домішки миш'яку призведе до утворення одного електрона провідності.
Акцепторная домішка - це домішка з меншою валентністю. При додаванні такий домішки в напівпровіднику утворюється зайву кількість «дірок». Провідність буде «діркової», а напівпровідник називають напівпровідником p-типу. Наприклад, для кремнію акцепторними домішками індій з валентністю n = 3. Кожен атом індію призведе до утворення зайвої «дірки».
Принцип дії більшості напівпровідникових приладів грунтується на властивостях р-п переходу. При приведенні у контакт двох напівпровідникових приладів р-типу і n-типу в місці контакту починається дифузія електронів з n-області в p-область, а «дірок» - навпаки, з р-в n-область. Цей процес буде не нескінченний у часі, так як утворюється замикаючий шар, який буде перешкоджати подальшої дифузії електронів і «дірок».
Напівпровідниковий діод складається з контакту двох напівпровідників р-і n-типу. Перевагою напівпровідникового діода є малі розміри і маса, тривалий строк служби, висока механічна міцність, високий коефіцієнт корисної дії, а недоліком - залежність їх опору від температури.
У радіоелектроніки застосовується також ще один напівпровідниковий прилад: транзистор, який був винайдений в 1948 р. В основі тріода лежить не один, а два р-п переходу. Основне застосування транзистора - це використання його в якості підсилювача слабких сигналів по струму і напрузі, а напівпровідниковий діод застосовується в якості випрямляча струму. Після відкриття транзистора настав якісно новий етап розвитку електроніки - мікроелектроніки, що підняв на якісно інший щабель розвиток електронної техніки, систем зв'язку, автоматики. Мікроелектроніка займається розробкою інтегральних мікросхем і принципів їх застосування. Інтегральною мікросхемою називають сукупність великого числа взаємопов'язаних компонентів - транзисторів, діодів, резисторів, з'єднувальних проводів, виготовлених в єдиному технологічному процесі. У результаті цього процесу на одному кристалі одночасно створюється кілька тисяч транзисторів, конденсаторів, резисторів і діодів, до 3500. Розміри окремих елементів мікросхеми можуть бути 2-5 мкм, похибка при їх нанесенні не повинна перевищувати 0,2 мкм. Мікропроцесор сучасної ЕОМ, розміщений на кристалі кремнію розміром 6х6 мм, містить кілька десятків або навіть сотень тисяч транзисторів.
Проте в техніці застосовуються також напівпровідникові прилади без р-п переходу. Наприклад, терморезистори (для вимірювання температури), фоторезистори (у фотореле, аварійних вимикачах, в дистанційних управліннях телевізорами і відеомагнітофонами).
Білет № 17
Електромагнітна індукція. Магнітний потік.
Закон електромагнітної індукції. Правило Ленца
План відповіді
1. Досліди з електромагнітної індукції. 2. Магнітний потік. 3. Закон електромагнітної індукції. 4. Правило Ленца.
Для кількісної характеристики процесу зміни магнітного поля через замкнутий контур вводиться фізична величина під назвою магнітний потік. Магнітним потоком через замкнутий контур площею S називають фізичну величину, рівну добутку модуля вектора магнітної індукції В на площа контура S і на косинус кута а між напрямом вектора магнітної індукції і нормаллю до площі контуру. Ф = BS cos α (рис. 26).
Досвідченим шляхом було встановлено основний закон електромагнітної індукції: ЕРС індукції в замкнутому контурі рівна по величині швидкості з-трансформаційних змін магнітного потоку через контур. ξ = ΔФ / t ..
Якщо розглядати котушку, яка містить п витків, то формула основного закону електромагнітної індукції буде виглядати так: ξ = n ΔФ / t.
Одиниця виміру магнітного потоку Ф - вебер (Вб): 1В6 = 1Β • c.
З основного закону ΔФ = ξ t слід сенс розмірності: 1 вебер - це величина такого магнітного потоку, який, зменшуючись до нуля за одну секунду, через замкнутий контур наводить у ньому ЕРС індукції 1 В.
Класичною демонстрацією основного закону електромагнітної індукції є перший досвід Фарадея: чим швидше переміщати магніт через витки котушки, тим більше виникає індукційний струм в ній, а значить, і ЕРС індукції.
Білет № 18
Явище самоіндукції. Індуктивність. Електромагнітне поле
План відповіді
1. Досліди по самоіндукції. 2. ЕРС самоіндукції. 3. Індуктивність. 4. Енергія магнітного поля.
Для самоіндукції виконується встановлений досвідченим шляхом закон: ЕРС самоіндукції прямо пропорційна швидкості зміни струму в провіднику. Ξ = L ΔI / t.
Коефіцієнт пропорційності L називають індуктивністю. Індуктивність - це величина, що дорівнює ЕРС самоіндукції при швидкості зміни струму в провіднику 1 А / с. Індуктивність вимірюється в генрі (Гн). 1 Гн = 1 Нд / А.
1 генрі - це індуктивність такого провідника, в якому виникає ЕРС самоіндукції 1 вольт при швидкості зміни струму 1 А / с. Індуктивність характеризує магнітні властивості електричного кола (провідника), залежить від магнітної проникності середовища сердечника, розмірів і форми котушки і числа витків в ній.
W m == LI 2 / 2.
Енергія магнітного поля залежить від індуктивності провідника і сили струму в ньому. Ця енергія може переходити в енергію електричного поля. Вихровий електричне поле породжується змінним магнітним полем, а змінне електричне поле породжує змінне магнітне поле, тобто змінні електричне і магнітне поля не можуть існувати одне без одного. Їх взаємозв'язок дозволяє зробити висновок про існування єдиного електромагнітного поля. Електромагнітне поле, одне з основних фізичних полів, за допомогою якого здійснюється взаємодія електрично заряджених частинок або частинок, що володіють магнітним моментом. Електромагнітне поле характеризується напруженістю електричного поля і магнітної індукції. Зв'язок між цими величинами і розподілом в просторі електричних зарядів і струмів була встановлена в 60-х роках минулого століття Дж. Максвеллом. Цей зв'язок носить назву основних рівнянь електродинаміки, які описують електромагнітні явища в різних середовищах і в вакуумі. Отримано ці рівняння як узагальнення встановлених на досвіді законів електричних і магнітних явищ.
Квиток № 19
Вільні і вимушені електромагнітні коливання. Коливальний контур і перетворення енергії при електромагнітних коливаннях. Частота і період коливань
План відповіді
1. Визначення. 2.Колебательний контур 3. Формула Томпсона.Електромагнітні коливання - це коливання електричних і магнітних полів, які супроводжуються періодичною зміною заряду, струму і напруги. Найпростішою системою, де можуть виникнути й існувати електромагнітні коливання, є коливальний контур. Коливальний контур - це система, що складається з котушки індуктивності та конденсатора (рис. 30, а). Якщо конденсатор зарядити і замкнути на котушку, то по котушці потече струм (мал. 30, б). Коли конденсатор розрядиться, струм в колі не припиниться через самоіндукції в котушці. Індукційний струм, відповідно до правила Ленца, буде текти в ту ж сторону і перезарядити конденсатор (мал. 30, в). Струм в даному напрямку припиниться, і процес повториться у зворотному напрямку (рис. 30, г).
Період електромагнітних коливань в ідеальному коливальному контурі (тобто в такому контурі, де немає втрат енергії) залежить від індуктивності котушки і ємності конденсатора і знаходиться за формулою Томпсона Т = 2π √ LC. Періодичність з періодом пов'язана обернено пропорційною залежністю ν = 1 / Т.
У реальному коливальному контурі вільні електромагнітні коливання будуть затухаючими через втрати енергії на нагрівання проводів. Для практичного застосування важливо отримати незгасаючі електромагнітні коливання, а для цього необхідно коливальний контур поповнювати електроенергією, щоб компенсувати втрати енергії. Для отримання незатухаючих електромагнітних коливань застосовують генератор незатухаючих коливань, який є прикладом автоколебательной системи.
Білет № 20
Електромагнітні хвилі та їх властивості. Принципи радіозв'язку і приклади їх практичного використання
План відповіді 1. Визначення. 2. Умова виникнення. 3. Властивості електромагнітних хвиль. 4. Відкритий коливальний контур. 5. Модуляція і детектування.
Англійський учений Джеймс Максвелл на підставі вивчення експериментальних робіт Фарадея з електрики висловив гіпотезу про існування в природі особливих хвиль, здатних поширюватися в вакуумі.
Ці хвилі Максвелл назвав електромагнітними хвилями. За уявленнями Максвелла: при будь-якій зміні електричного поля виникає вихровий магнітне поле і, навпаки, при будь-якій зміні магнітного поля виникає вихровий електричне поле. Одного разу почався процес взаємного породження магнітного і електричного полів повинен безперервно тривати й захоплювати все нові і нові області в навколишньому просторі (рис. 31). Процес взаємопородження електричних і магнітних полів відбувається у взаємно перпендикулярних площинах. Змінне електричне поле породжує вихровий магнітне поле, змінне магнітне поле породжує вихровий електричне поле.
Умовою виникнення електромагнітних хвиль є прискорений рух електричних зарядів. Так, зміна магнітного поля відбувається при зміні струму в провіднику, а зміна струму відбувається при зміні швидкості зарядів, тобто при русі їх з прискоренням. Швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі за розрахунками Максвелла повинна бути приблизно дорівнює 300 000 км / с.Впервие досвідченим шляхом отримав електромагнітні хвилі фізик Генріх Герц, використавши пріетом високочастотний іскровий розрядник (вібратор Герца). Герц досвідченим шляхом визначив також швидкість електромагнітних хвиль. Вона співпала з теоретичним визначенням швидкості хвиль Максвеллом. Найпростіші електромагнітні хвилі - це хвилі, в яких електричне і магнітне поля здійснюють синхронні гармонійні коливання.
Звичайно, електромагнітні хвилі мають усіма основними властивостями хвиль. Вони підпорядковуються закону відбиття хвиль:
кут падіння дорівнює куту відображення. При переході з одного середовища в іншу переломлюються і підпорядковуються закону заломлення хвиль: ставлення синуса кута падіння до синуса кута заломлення є незмінною для двох даних середовищ і дорівнює відношенню швидкості електромагнітних хвиль в першій середовищі до швидкості електромагнітних хвиль у другій середовищі і називається показником заломлення другого середовища відносно першого.
Явище дифракції електромагнітних хвиль, тобто відхилення напряму їх розповсюдження від прямолінійного, спостерігається у краю перешкоди або при проходженні через отвір. Електромагнітні хвилі здатні до інтерференції. Інтерференція - це здатність когерентних хвиль до накладання, в результаті чого хвилі в одних місцях один одного підсилюють, а в інших місцях - гасять. (Когерентні хвилі - це хвилі, однакові за частотою і фазою коливання.) Електромагнітні хвилі мають дисперсією, т. е. коли показник заломлення середовища для електромагнітних хвиль залежить від їх частоти. Досліди з пропущенням електромагнітних хвиль через систему з двох решіток показують, що ці хвилі є поперечними.
При поширенні електромагнітної хвилі вектори напруженості Е і магнітної індукції В перпендикулярні напрямку розповсюдження хвилі і взаємно перпендикулярні між собойВозможность практичного застосування електромагнітних хвиль для встановлення зв'язку без проводів продемонстрував 7 травня 1895 російський фізик О. Попов. Цей день вважається днем народження радіо. Для здійснення радіозв'язку необхідно забезпечити можливість випромінювання електромагнітних хвиль. Якщо електромагнітні хвилі виникають в контурі з котушки і конденсатора, то змінне магнітне поле виявляється пов'язаним з котушкою, а змінне електричне поле - зосередженим між пластинами конденсатора. Такий контур називається закритим (рис. 33, а). Закритий коливальний контур практично не випромінює електромагнітні хвилі в навколишній простір. Якщо контур складається з котушки і двох пластин плоского конденсатора, то під ніж великим кутом розгорнуті ці пластини, тим вільніше виходить електромагнітне поле в навколишній простір (рис. 33, б). Граничним випадком розкритого коливального контуру є видалення пластин на протилежні кінці котушки. Така система називається відкритим коливальним контуром (рис. 33, в). У дійсності контур складається з котушки і довгого проводу - антени.
Енергія випромінюваних (за допомогою генератора незатухаючих коливань) електромагнітних коливань при однаковій амплітуді коливань сили струму в антені пропорційна четвертому ступеню частоти коливань. На частотах у десятки, сотні і навіть тисячі герц інтенсивність електромагнітних коливань мізерно мала. Тому для здійснення радіо-і телевізійного зв'язку використовуються електромагнітні хвилі з частотою від кількох сотень тисяч герц до сотень мегагерц.
При передачі по радіо мови, музики та інших звукових сигналів застосовують різні види модуляції високочастотних (несучих) коливань. Суть модуляції полягає в тому, що високочастотні коливання, що виробляються генератором, змінюють за законом низької частоти. У цьому й полягає один із принципів радіопередачі. Іншим принципом є зворотний процес - детектування. При радиоприеме з прийнятого антеною приймача модульованого сигналу потрібно відфільтрувати звукові низькочастотні коливання.
За допомогою радіохвиль здійснюється передача на відстань не тільки звукових сигналів, але й зображення предмета. Велику роль в сучасному морському флоті, авіації і космонавтиці грає радіолокація. В основі радіолокації лежить властивість відображення хвиль від провідних тел. (Від поверхні діелектрика електромагнітні хвилі відбиваються слабо, а від поверхні металів майже повністю.)
Білет № 21
Хвильові властивості світла. Електромагнітна теорія світла
План відповіді
1. Закони заломлення і віддзеркалення світла. 2. Інтерференція та її застосування. 3. Дифракція. 4. Дисперсія. 5. Поляризація. 6. Корпускулярно-хвильовий дуалізм.Світло - це електромагнітні хвилі в інтервалі частот 63 • 10 14 - 8 • 10 14 Гц, що сприймаються людським оком, тобто довжин хвиль в інтервалі 380 - 770 нм.
Світла притаманні всі властивості електромагнітних хвиль: відбиття, заломлення, інтерференція, дифракція, поляризація. Світло може чинити тиск на речовину, поглинатися середовищем, викликати явище фотоефекту. Має кінцеву швидкість поширення у вакуумі 300 000 км / с, а в середовищі швидкість убуває.
Найбільш наочно хвильові властивості світла виявляються в явищах інтерференції і дифракції. Інтерференцією світла називають просторове перерозподіл світлового потоку при накладенні двох (або декількох) когерентних світлових хвиль, в результаті чого в одних місцях виникають максимуми, а в інших мінімуми інтенсивності (інтерференційна картина). Інтерференцією світла пояснюється забарвлення мильних бульбашок і тонких плівок масляних на воді, хоча мильний розчин і масло безбарвні. Світлові хвилі частково відбиваються від поверхні тонкої плівки, частково проходять в неї. На другий кордоні плівки знову відбувається часткове віддзеркалення хвилі (рис. 34). Світлові хвилі, відбиті двома поверхнями тонкої плівки, поширюються в одному напрямку, але проходять різні шляхи. При різниці ходу I, кратній цілому числу довжин хвиль l = 2 k λ / 2.
Явище відхилення світла від прямолінійного напрямку поширення при проходженні у краю перешкоди називають дифракцією світла. Дифракція пояснюється тим, що світлові хвилі, що приходять в результаті відхилення з різних точок отвору в одну точку на екрані, інтерферують між собою. Дифракція світла використовується в спектральних приладах, основним елементом у яких є дифракційна решітка. Дифракційна решітка представляє собою прозору пластинку з нанесеною на ній системою паралельних непрозорих смуг, розташованих на однакових відстанях один від одного. Нехай на грати (мал. 35) падає монохроматичне (певної довжини хвилі) світло. У результаті дифракції на кожній щілині світло поширюється не тільки в первісному напрямку,
але і по всіх інших напрямках. Якщо за гратами поставити збиральну лінзу, то на екрані в фокальній площині все промені будуть збиратися в одну смужку.
Паралельні промені, що йдуть від країв сусідніх щілин, мають різниця ходу l = d sin φ, де d - стала грати - відстань між відповідними краями сусідніх щілин, зване періодом решітки, (φ - кут відхилення світлових променів від перпендикуляра до площини грат. При різниці ходу, рівної цілому числу довжин хвиль d sin φ = k λ, спостерігається інтерференційний максимум для даної довжини хвилі. Умова інтерференційного максимуму виконується для кожної довжини хвилі при своєму значенні дифракційного кута φ. У результаті при проходженні через дифракційну решітку пучок білого світла розкладається в спектр . Кут дифракції має найбільше значення для червоного світла, так як довжина хвилі червоного світла більше всіх інших у області видимого світла. Найменше значення кута дифракції для фіолетового світла.
Досвід показує, що інтенсивність світлового пучка, що проходить через деякі кристали, наприклад, ісландського шпату, залежить від взаємної орієнтації двох кристалів. При однаковій орієнтації кристалів світло проходить через другий кристал без ослаблення.
Якщо ж другий кристал повернутий на 90 °, то світло через нього не проходить. Відбувається явище поляризації, е. кристал пропускає тільки такі хвилі, в яких коливання вектора напруженості електричного поля відбуваються в одній площині, площині поляризації. Явище поляризації доводить хвильову природу світла і поперечної світлових хвиль.
Вузький паралельний пучок білого світла при проходженні через скляну призму розкладається на пучки світла різного кольору, при цьому найбільше відхилення до основи призми мають промені фіолетового кольору. Пояснюється розкладання білого світла тим, що біле світло складається з електромагнітних хвиль з різною довжиною хвилі, а показник заломлення світла залежить від довжини його хвилі. Показник заломлення пов'язаний зі швидкістю світла в середовищі, отже, швидкість світла в середовищі залежить від довжини хвилі. Це явище і називають дисперсією світла.
На підставі збігу експериментально виміряного значення швидкості електромагнітних хвиль Максвел висловив припущення, що світло - це електромагнітна хвиля. Ця гіпотеза підтверджена властивостями, якими володіє світло.
Білет № 22
Досліди Резерфорда по розсіюванню α-частинок. Ядерна модель атома
План відповіді
1. Досліди Резерфорда. 2. Ядерна модель атома.
Слово «атом» у перекладі з грецької означає «неподільний». Під атомом довгий час, аж до початку XX ст., Мали на увазі дрібні неподільні частки речовини. До початку XX ст. в науці накопичилося багато фактів, що говорили про складне будову атомів.
Великі успіхи в дослідженні будови атомів були досягнуті в дослідах англійського вченого Ернеста Резерфорда по розсіюванню а-частинок при проходженні через тонкі шари речовини. У цих дослідах вузький пучок α-частинок, що випускаються радіоактивною речовиною, прямував на тонку золоту фольгу. За фольгою містився екран, здатний світитися під ударами швидких частинок. Було виявлено, що більшість α-часток відхиляється від прямолінійного поширення після проходження фольги, тобто розсіюється, а деякі α-частинки взагалі відкидаються назад. Розсіювання α-частинок Резерфорд пояснив тим, що позитивний заряд не розподілений рівномірно в кулі радіусом 10 -10 м, як припускали раніше, а зосереджений в центральній частині атома - атомному ядрі. При проходженні близько ядра α-частинка, що має позитивний заряд, відштовхується від нього, а при попаданні в ядро - відкидається в протилежному напрямку. Так ведуть себе частки, що мають однаковий заряд, отже, існує центральна позитивно заряджена частина атома, у якій зосереджена значна маса атома. Розрахунки показали, що для пояснення дослідів потрібно прийняти радіус атомного ядра рівним приблизно 10 -15 μ.
Резерфорд припустив, що атом влаштований подібно планетарну систему. Суть моделі будови атома по Резерфорду полягає в наступному: у центрі атома знаходиться позитивно заряджене ядро, в якому зосереджена вся маса, навколо ядра по кругових орбітах на великих відстанях обертаються електрони (як планети навколо Сонця). Заряд ядра збігається з номером хімічного елемента в таблиці Менделєєва.
Планетарна модель будови атома по Резерфорду не змогла пояснити ряд відомих фактів:
електрон, що має заряд, повинен за рахунок кулонівських сил тяжіння впасти на ядро, а атом - це стійка система, при русі по круговій орбіті, наближаючись до ядра, електрон в атомі повинен випромінювати електромагнітні хвилі всіляких частот, тобто випромінюване світло повинен мати безперервний спектр, на практиці ж виходить інше:
електрони атомів випромінюють світло, що має лінійчатий спектр. Дозволити протиріччя планетарної ядерної моделі будови атома першим спробував датський фізик Нільс Бор.
Білет № 23
Квантові постулати Бора. Випущення і поглинання світла атомами. Спектральний аналіз
План відповіді
1. Перший постулат. 2. Другий постулат. 3. Види спектрів.В основу своєї теорії Бор поклав два постулати. Перший постулат: атомна система може перебувати тільки в особливих стаціонарних чи квантових станах, кожному з яких відповідає своя енергія; в стаціонарному стані атом не випромінює.
Це означає, що електрон (наприклад, в атомі водню) може перебувати на кількох цілком певних орбітах. Кожній орбіті електрона відповідає цілком певна енергія.
Другий постулат: при переході з одного стаціонарного стану в інший випромінюється або поглинається квант електромагнітного випромінювання. Енергія фотона дорівнює різниці енергій атома в двох станах: hv = Е m - Ε n; h = 6,62 • 10 -34 Дж • с, де h - постійна Планка.
При переході електрона з ближньої орбіти на більш віддалену, атомна система поглинає квант енергії. При переході з більш віддаленої орбіти електрона на ближню орбіту по відношенню до ядра атомна система випромінює квант енергії.
Теорія Бора дозволила пояснити існування лінійчатих спектрів.
Спектри бувають суцільні, лінійчатих та смугасті.
Суцільні спектри випромінюють всі речовини, що знаходяться в твердому або рідкому стані. Суцільний спектр містить хвилі всіх частот видимого світла і тому виглядає як кольорова смуга з плавним переходом від одного кольору до іншого в такому порядку: Червоний, Оранжевий, Жовтий, Зелений, Синій і Фіолетовий (Кожен Мисливець Бажає Знати, де Сидить Фазан).
Лінійчатих спектри випромінюють всі речовини в атомарному стані. Атоми всіх речовин випромінюють властиві тільки їм набори хвиль цілком певних частот. Як у кожної людини свої особисті відбитки пальців, так і в атома даної речовини свій, характерний тільки йому спектр. Лінійчатих спектри випромінювання виглядають як кольорові лінії, розділені проміжками. Природа лінійчатих спектрів пояснюється тим, що у атомів конкретного речовини існують тільки йому властиві стаціонарні стани зі своєю характерною енергією, а отже, і свій набір пар енергетичних рівнів, які може змінювати атом, тобто електрон в атомі може переходити тільки з одних певних орбіт на інші, цілком певні орбіти для цієї хімічної речовини.
Смугасті спектри випромінюються молекулами. Виглядають смугасті спектри подібно лінійчатим, тільки замість окремих ліній спостерігаються окремі серії ліній, які сприймаються як окремі смуги.
Характерним є те, що який спектр випромінюється даними атомами, такий же і поглинається, тобто спектри випромінювання по набору випромінюваних частот збігаються зі спектрами поглинання. Оскільки атомам різних речовин відповідають властиві тільки їм спектри, то існує спосіб визначення хімічного складу речовини методом вивчення його спектрів. Цей спосіб називається спектральним аналізом. Спектральний аналіз застосовується для визначення хімічного складу копалин руд при видобутку корисних копалин, для визначення хімічного складу зірок, атмосфер, планет; є основним методом контролю складу речовини в металургії і машинобудуванні.
Білет № 24
Фотоефект і його закони. Рівняння Ейнштейна для фотоефекту і постійна Планка. Застосування фотоефекту в техніці
Плав відповіді
1. Гіпотеза Планка. 2. Визначення фотоефекту. 3. Закони фотоефекту. 4. Рівняння Ейнштейна. 5. Застосування фотоефекту.
У 1900 р. німецький фізик Макс Планк висловив гіпотезу: світло випромінюється і поглинається окремими порціями - квантами (або фотонами). Енергія кожного фотона визначається формулою Е = h ν, де h - постійна Планка, рівна 6,63 • 10 -34 Дж • с, ν - частота світла. Гіпотеза Планка пояснила багато явищ: зокрема, явище фотоефекту, відкритого в 1887 р. німецьким вченим Генріхом Герцом і вивченого експериментально російським ученим А. Г. Столєтова.
Фотоефект - це явище випускання електронів речовиною під дією світла.
У результаті досліджень було встановлено три закони фотоефекту.
1. Сила струму насичення прямо пропорційна інтенсивності світлового випромінювання, що падає на поверхню тіла.
2. Максимальна кінетична енергія фотоелектронів лінійно зростає з частотою світла і залежить від його інтенсивності.
3. Якщо частота світла менше деякої визначеної для даної речовини мінімальної частоти, то фотоефект не відбувається.
Залежність фотоструму від напруги показана на малюнку 36.
Теорію фотоефекту створив німецький вчений А. Ейнштейн у 1905 р. В основі теорії Ейнштейна лежить поняття роботи виходу електронів з металу і поняття про квантовий випромінюванні світла. За теорією Ейнштейна фотоефект має таке пояснення: поглинаючи квант світла, електрон набуває енергію hv. При вильоті з металу енергія кожного електрона зменшується на певну величину, яку називають роботою виходу (А вих). Робота виходу - це робота, яку необхідно затратити, щоб видалити електрон з металу. Максимальна енергія електронів після вильоту (якщо немає інших втрат) має вигляд: mv 2 / 2 = hv - А вих, Це рівняння називається рівняння Ейнштейна.
Якщо hν <А вих то фотоефект не відбувається. Значить, червона межа фотоефекту дорівнює ν min = А вих / h
Прилади, в основі принципу дії яких лежить явище фотоефекту, називають фотоелементами. Найпростішим таким приладом є вакуумний фотоелемент. Недоліками такого фотоелемента є: слабкий струм, мала чутливість до довгохвильового випромінювання, складність у виготовленні, неможливість використання в ланцюгах змінного струму. Застосовується у фотометрії для вимірювання сили світла, яскравості, освітленості, в кіно для відтворення звуку, в фототелеграфу і фототелефони, в управлінні виробничими процесами.
Існують напівпровідникові фотоелементи, в яких під дією світла відбувається зміна концентрації носіїв струму. Вони використовуються при автоматичному управлінні електричними ланцюгами (наприклад, у турнікетах метро), в ланцюгах змінного струму, як невідновлюваних джерел струму в годинах, мікрокалькуляторах, проходять випробування перші сонячні автомобілі, використовуються в сонячних батареях на штучних супутниках Землі, міжпланетних і орбітальних автоматичних станціях .
З явищем фотоефекту пов'язані фотохімічні процеси, які відбуваються під дією світла у фотографічних матеріалах.
Білет № 25
Склад ядра атома. Ізотопи. Енергія зв'язку ядра атома. Ланцюгова ядерна реакція, умови її здійснення. Термоядерні реакції
План відповіді
1. Відкриття нейтрона. 2. Склад ядра атома. 3. Ізотопи. 4. Дефект маси. 5. Енергія зв'язку атомного ядра. 6. Ядерні реакції. 7. Ланцюгова ядерна реакція. 8. Термоядерні реакції.У 1932 р. англійський фізик Джеймс Чедвік відкрив частинки з нульовим електричним зарядом і одиничною масою. Ці частинки назвали нейтронами. Позначається нейтрон п. Після відкриття нейтрона фізики Д. Д. Іваненко і Вернер Гейзенберг в 1932 р. висунули протонно-нейтронну модель атомного ядра. Відповідно до цієї моделі ядро атома будь-якої речовини складається з протонів і нейтронів. (Загальна назва протонів і нейтронів - нуклони.) Число протонів одно заряду ядра і збігається з номером елемента в таблиці Менделєєва. Сума числа протонів і нейтронів дорівнює масового числа. Наприклад, ядро атома кисню 16 серпня O складається з 8 протонів і 16 - 8 = 8 нейтронів. Ядро атома 235 92 U складається з 92 протонів і 235 - 92 = 143 нейтронів.
Хімічні речовини, що займають одне і те ж місце в таблиці Менделєєва, але мають різну атомну масу, називаються ізотопами. Ядра Ізотов-пов відрізняються числом нейтронів. Наприклад, водень має три ізотопи: протий - ядро складається з одного протона, дейтерій - ядро складається з одного протона і одного нейтрона, тритій - ядро складається з одного протона і двох нейтронів.
Якщо порівняти маси ядер з масами нуклонів, то виявиться, що маса ядра важких елементів більше суми мас протонів і нейтронів в ядрі, а для легких елементів маса ядра менше суми мас протонів і нейтронів в ядрі. Отже, існує різниця мас між масою ядра і сумою мас протонів і нейтронів, звана дефектом маси. М = Μ я - (M p + Μ n).
Так як між масою і енергією існує зв'язок Е = mc 2, то при розподілі важких ядер і при синтезі легких ядер повинна виділятися енергія, що існує через дефект мас, і ця енергія називається енергією зв'язку атомного ядра. Е св = Мс 2.
Виділення цієї енергії може відбуватися при ядерних реакціях.
Ядерна реакція - це процес зміни заряду ядра і його маси, що відбувається при взаємодії ядра з іншими ядрами або елементарними частинками. При протіканні ядерних реакцій виконуються закони збереження електричних зарядів і масових чисел: сума зарядів (масових чисел) ядер і частинок, що вступають в ядерну реакцію, дорівнює сумі зарядів (масових чисел) кінцевих продуктів (ядер і частинок) реакції.
Ланцюгова реакція поділу - це ядерна реакція, в якій частинки, що викликають реакцію, утворюються як продукти цієї реакції. Необхідною умовою для розвитку ланцюгової реакції поділу є вимога k> 1, де k - коефіцієнт розмноження нейтронів, тобто відношення числа нейтронів в даному поколінні до їх числа в попередньому поколінні. Здатністю до ланцюгової ядерної реакції має ізотоп урану 235 U. За наявності певних критичних параметрів (критична маса - 50 кг, кульова форма радіусом 9 см) три нейтрона, виділилися при розподілі першого ядра потрапляють в три сусідніх, ядра і т. д. Процес іде у вигляді ланцюгової реакції, яка протікає за частки секунди в вигляді ядерного вибуху. Некерована ядерна реакція застосовується в атомних бомбах. Вперше розв'язав задачу про управління ланцюговою реакцією поділу ядер фізик Енріко Фермі. Їм був винайдений ядерний реактор в 1942 р. У нас в країні реактор був запущений в 1946 р. під керівництвом І. В. Курчатова.
Термоядерні реакції - це реакції синтезу легких ядер, що відбуваються при високій температурі (приблизно 10 7 До і вище). Необхідні умови для синтезу ядер гелію з протонів є в надрах зірок. На Землі термоядерна реакція здійснена тільки при експериментальних вибухів, хоча ведуться міжнародні дослідження з управління цією реакцією.