Основы физики

/

Билет № 1

Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение

Механическим движением тела называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Любое движение относительно. Вид движения зависит от того, относительно каких тел рассматривается данное движение.

Пример: человек, едущий на эскалаторе в метро, находится в покое относительно самого эскалатора и перемещается относительно стен туннеля.

Тело, относительно которого мы рассматриваем положение других тел в пространстве, называется телом отсчета. Для того чтобы задать положение тела в пространстве, необходима система координат, связанная с телом отсчета и прибор для измерения времени (часы). Тело отсчета, связанная с ним система координат и часы образуют систему отсчета. Положение тела задается координатой. Существуют одномерная, двумерная и трехмерная системы координат.

Для описания механического движения используется модель реального тела - материальная точка. Материальная точка - это тело размерами и формой которого можно пренебречь в условиях данной задачи.

Пример: космический корабль относительно Земли можно считать материальной точкой, а относительно космонавта, находящегося внутри - нет.

Линию, вдоль которой движется тело называют траекторией:

Длину траектории называют пройденным путем:

Механическое движение характеризуется тремя физическими величинами: перемещением, скоростью и ускорением. Перемещение - это вектор, соединяющий начальную и конечную точку траектории: [м].

А

В

АВ - перемещение

Скорость - векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела, численно равная отношению перемещения за малый промежуток времени к величине этого промежутка. Промежуток времени считается достаточно малым, если скорость при неравномерном движении в течение промежутка не менялась. Измеряют скорость спидометром. - скорость [м/с]

Ускорение - векторная физическая величина, характеризующая, быстроту изменения скорости, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло. Если скорость изменяется одинаково в течение всего времени движения, то ускорение можно рассчитать по формуле:

[].

Прямолинейным равномерным движением называют такое движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения, .

- координата тела

Одним из частных случаев неравномерного движения является равноускоренное движение. Равноускоренное движение - это движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени изменяется одинаково. При таком движении проекция скорости линейно зависит от времени. Это значит, что графиком зависимости является отрезок прямой.

t t

равноускоренное движение равнозамедленное движение

Найдем зависимость перемещения от времени при прямолинейном равноускоренном движении. Если начальная скорость равна нулю, то фигура ограниченная графиком и осью t - треугольник площадью .

0 t

Если начальная скорость не равна нулю, то фигура, ограниченная графиком и осью t - трапеция, состоящая из прямоугольника площадью и треугольника площадью.

0 t

, , , , .

Билет № 2

Взаимодействие тел. Сила. Законы динамики Ньютона

Изменение характера движения, появление ускорения есть результат действия на тело других тел. Воздействие одного тела на другое может происходит двумя способами: благодаря непосредственному соприкосновению тел или посредством полей. Сила - мера взаимодействия. Сила - секторная физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет форму и размеры. Сила характеризуется: величиной, точкой приложения, направлением.

- сила [Н]

1 Н - это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1. Для измерения силы используется динамометр.

Явление инерции хорошо знакомо каждому из нас. Пример: при резком торможении автомобиля пассажир по инерции продолжает двигаться вперед с прежней скоростью. Явление сохранения скорости движения тела при отсутствии внешних воздействий называется инерцией.

Всякий покой и движение тел относительны. Одно и тоже тело может находиться в состоянии покоя в одной системе отсчета и двигаться с ускорением в другой системе отсчета. В каких же системах отсчета наблюдается явление инерции и существуют ли такие системы отсчета? Ответ на этот вопрос дает один из основных законов механики, который называется первым законом Ньютона (или законом инерции): существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действие других тел компенсируется).

Системы отсчета, относительно которых тело при отсутствии внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно называют инерциальными системами отсчета (ИСО). Пример: системы отсчета связанные с Землей, обычно считают ИСО.

Все тела обладают свойством инертности. Инертность - свойство тела, от которого зависит его ускорение при взаимодействии с другими телами. Количественной мерой инертности тела является масса тела. Масса тела - это физическая величина, характеризующая инертность.

Второй закон Ньютона: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение: .

Смысл второго закона Ньютона заключается в том, что действующие на тело силы, определяют изменение скорости тела, а не скорость движения тела. Он выполняется только в ИСО.

Третий закон Ньютона: тела, действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению:

.

Билет № 3

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Проявление закона сохранения импульса в природе и использование его в технике

Простые опыты и наблюдения доказывают, что покой и движение относительны, скорость тела зависит от выбора системы отсчета; по третьему закону Ньютона независимо от того, находилось ли тело в покое или двигалось, изменение скорости его движения может происходить только под действием силы, т. е. в результате взаимодействия с другими телами. Однако существуют величины, которые могут сохраниться при взаимодействии тел такими величинами являются энергия и импульс.

Импульсом тела (или количеством движения) называют векторную физическую величину, равную произведению массы тела на скорость его движения; является количественной характеристикой поступательного движения тел.

- импульс []

Направление вектора импульса совпадает с направлением вектора скорости. Для импульса системы тел выполняется закон сохранения, который справедлив только для замкнутых систем. Замкнутой системой называется система тел, не взаимодействующих с другими телами, не входящими в эту систему.

Предположим, что взаимодействуют друг с другом два тела(тележки) с массами и , движущихся относительно выбранной системы отсчета со скоростями и .

На тела при их взаимодействии действуют соответственно силы и , и после взаимодействия они стали двигаться со скоростями и . Тогда:

, где t - время взаимодействия.

= -

- закон сохранения импульса.

Слева: сумма импульсов тележек до взаимодействия, справа: сумма импульсов тележек после взаимодействия.

Закон сохранения импульса: в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения. Реактивное движение - это такое движение тела, которое возникает после отделения от тела его части.

Большая заслуга в развитии теории реактивного движения принадлежит К. Э. Циолковскому. Он разработал теорию полета тела переменной массы (ракеты) в однородном поле тяготения и рассчитал запасы топлива, необходимые для преодоления силы земного притяжения; основы теории жидкостного реактивного двигателя, а также элементы его конструкции; теорию многоступенчатых ракет, причем предложил два варианта: параллельный (несколько реактивных двигателей работают одновременно) и последовательный (реактивные двигатели работают друг за другом). Циолковский строго научно доказал возможность полета в космос с помощью ракет т жидкостным реактивным двигателем, предложил специальные траектории посадки космических аппаратов на Землю, выдвинул идею создания межпланетных орбитальных станций и подробно рассмотрел условия жизни и жизнеобеспечения на них. Теоретические идеи Циолковского находят применение при создании современной ракетно-космической техники. Движение с помощью реактивной струи по закону сохранения импульса лежит в основе гидрореактивного двигателя.

В основе движения многих морских моллюсков (осьминогов, медуз, каракатиц, кальмаров) также лежит реактивный принцип.

Билет № 4

Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес. Невесомость

Ньютон выдвинул предположение, что между всеми телами действуют силы взаимного притяжения (сила всемирного тяготения). Сила всемирного тяготения проявляется в космосе, солнечной системе и на Земле. Ньютон обобщил законы движения небесных тел и выяснил, что сила равна:

-закон всемирного тяготения

где: - массы взаимодействующих тел,

r - расстояние между телами,

G - гравитационная постоянная.

Численное значение гравитационной постоянной опытным путем определил Кавендиш, измеряя силу взаимодействия между свинцовыми шарами.

Закон всемирного тяготения: все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Силы всемирного тяготения действуют между любыми телами в природе, но ощутимыми они становятся при больших массах. Закон всемирного тяготения выполняется только для материальных точек и шаров (в этом случае за расстояние принимается расстояние между центрами шаров).

Одним из проявлений силы всемирного тяготения является сила притяжения к Земле - сила тяжести. Под действием этой силы все тела приобретают ускорение свободного падения.

Сила тяжести направлена к центру Земли в зависимости от высоты h над поверхностью Земли и географической широты положения тела ускорение свободного падения приобретает различные значения. На поверхности Земли и в средних широтах: .

Где: - масса Земли, - масса тела, - расстояние от центра Земли до данного тела, - высота над поверхностью Земли, - радиус Земли.

В технике и быту широко используется понятие веса. Вес - это сила, с которой тело вследствие его притяжения к Земле, действует на горизонтальную опору или подвес.

- вес [Н]

1. Если тело находится в покое на горизонтальной поверхности или равномерно движется и на него действуют только сила тяжести и сила упругости со стороны опоры, то можно записать:

,

,

,

,

2. Если тело вместе с опорой движется вниз с ускорение , то вес тела станет меньше, чем когда оно покоилось.

0

Х

(по второму закону Ньютона)

(по третьему закону Ньютона)

Если тело вместе с опорой или подвесом движется с ускорением, которое направлено так же, как ускорение свободного падения, то его вес меньше веса покоящегося тела.

3. Если тело вместе с опорой резко поднять вверх, сообщив ускорение , направленное вверх, то вес увеличивается.

0

Х

(по второму закону Ньютона)

(по третьему закону Ньютона)

Увеличение веса, вызванное его ускоренным движением называется перегрузкой. Действие перегрузки испытывает на себе космонавт ка при взлете ракеты, так и при торможении корабля при входе в плотные слои атмосферы; водители автомобилей при резком торможении.

Если груз с опорой заставить свободно падать, то вес тела становится равным нулю. При свободном падении и груз, и опора движутся с одинаковым ускорением . Опора не деформируется, и нет силы реакции опоры, действующей на груз, и груз не деформируется и не действует на опору. Вес исчезает. Говорят, что груз стал невесомым. Невесомость - состояние тела, в котором его вес равен нулю. Состояние невесомости наблюдается в самолете или космическом корабле при движении с ускорением свободного падения независимо от направления и значения скорости их движения. В состоянии невесомости находится человек во время прыжка с момента отрыва от Земли до момента приземления; прыгун в воду, прыгающий с вышки до соприкосновения с водой.

Билет5

Превращение энергии при механических колебаниях. Свободные и вынужденные колебания. Резонанс

Механическими колебаниями называют движения тела, повторяющиеся точно или приблизительно через одинаковые промежутки времени. Основными характеристиками механических колебаний являются: смещение, амплитуда, частота, период. Смещение -- это отклонение от положения равновесия. Амплитуда -- модуль максимального отклонения от положения равновесия. Частота -- число полных колебаний, совершаемых в единицу времени. Период -- время одного полного колебания, т. е. минимальный промежуток времени, через который происходит повторение процесса. Период и частота связаны соотношением:

v = 1/T.

Простейший вид колебательного движения -- гармонические колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса (рис. 8).

Свободными -- называют колебания, которые совершаются за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на систему, совершающую колебания. Например, колебания груза на нити (рис. 9).

Рассмотрим процесс превращения энергии на примере колебаний груза на нити (см. рис. 9).

При отклонении маятника от положения равновесия он поднимается на высоту h относительно нулевого уровня, следовательно, в точке А маятник обладает потенциальной энергией mgh. При движении к положению равновесия, к точке О, уменьшается высота до нуля, а скорость груза увеличивается, и в точке О вся потенциальная энергия mgh превратится в кинетическую энергию mvг/2. В положении равновесия кинетическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная энергия минимальна. После прохождения положения равновесия происходит превращение кинетической энергии в потенциальную, скорость маятника уменьшается и при максимальном отклонении от положения равновесия становится равной нулю. При колебательном движении всегда происходят периодические превращения его кинетической и потенциальной энергий.

При свободных механических колебаниях неизбежно происходит потеря энергии на преодоление сил сопротивления. Если колебания происходят под действием периодически действующей внешней силы, то такие колебания называют вынужденными. Например, родители раскачивают ребенка на качелях, поршень движется в цилиндре двигателя автомобиля, колеблются нож электробритвы и игла швейной машины. Характер вынужденных колебаний зависит от характера действия внешней силы, от ее величины, направления, частоты действия и не зависит от размеров и свойств колеблющегося тела. Например, фундамент мотора, на котором он закреплен, совершает вынужденные колебания с частотой, определяемой только числом оборотов мотора, и не зависит от размеров фундамента.

При совпадении частоты внешней силы и частоты собственных колебаний тела амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает. Такое явление называют механическим резонансом. Графически зависимость вынужденных колебаний от частоты действия внешней силы показана на рисунке:

/

Явление резонанса может быть причиной разрушения машин, зданий, мостов, если собственные их частоты совпадают с частотой периодически действующей силы. Поэтому, например, двигатели в автомобилях устанавливают на специальных амортизаторах, а воинским подразделениям при движении по мосту запрещается идти «в ногу».

При отсутствии трения амплитуда вынужденных колебаний при резонансе должна возрастать со временем неограниченно. В реальных системах амплитуда в установившемся режиме резонанса определяется условием потерь энергии в течение периода и работы внешней силы за то же время. Чем меньше трение, тем больше амплитуда при резонансе.

Билет №6

Опытное обоснование основных положений МКТ строения вещества. Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро

Молекулярно-кинетическая теория -- это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов, как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:

1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.

2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температуру вещества.

3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними.

Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии -- способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого -- тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавления или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение -- непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.

Движение броуновских частиц объясняется хаотическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путем было доказано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости. Теорию броуновского движения разработал А. Эйнштейн. Законы движения частиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсивности броуновского движения -- уменьшение температуры. Существование броуновского движения убедительно подтверждает движение молекул.

Массы молекул очень малы, и удобно использовать не абсолютные значения, а относительные. Относительные массы атомов и молекул были определены очень давно. Относительные атомные массы всех химических элементов указаны в таблице Менделеева. Физическими методами, например по движению ионов в электрическом и магнитном полях, удалось определить массы некоторых атомов в абсолютных единицах. Так появилась атомная единица массы (а. е. м.), равная 1/12 массы атома углерода, то относительная молекулярная масса позволяет найти массу любой молекулы или атома

Диаметром молекулы принято считать минимальное расстояние, на которое им позволяют сблизиться силы отталкивания. Однако понятие размера молекулы является условным. Средний размер молекул порядка 10-10 м.

Многие свойства вещества определяются только числом частиц, но не зависит от свойств частиц. Например, давление идеального газа определяется концентрацией частиц и температурой : .

Именно поэтому возникло в физике понятие количество вещества. Единица количества вещества определяется на основе соотношения для расчета числа частиц N в веществе любой массы.

Действительно

При переходе к СИ было взято в качестве единицы количества вещества число в раз меньшее, т. е. . Эта единица называется моль. Моль -- это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода.

Число частиц в одном моле вещества называется числом Авогадро.

na = 6,02 * 1023 моль-1.

Теперь можно найти массу одного моля M. Эта величина называется молярной массой. Действительно, по определению

Из формулы следует, что единицей молярной массы вещества будет кг/моль.

Билет №7

Идеальный газ. Основное уравнение МКТ идеального газа. Температура и ее измерение. Абсолютная температура

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. Идеальным принято считать газ, если: а) между молекулами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела; б) газ очень разряжен, т. е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул; в) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно.

Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрел свойства идеального, осуществляются при соответствующем разряжении реального газа. Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении слабо отличаются от идеальных.

Основными параметрами идеального газа являются давление, объем и температура. Одним из первых и важных успехов МКТ было качественное и количественное объяснение давления газа на стенки сосуда. Качественное объяснение заключается в том, что молекулы газа при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела и передают свои импульсы стенкам сосуда.

На основании использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено основное уравнение МКТ идеального газа, которое выглядит так:

р = 1/3 т0пv2.

р -- давление идеального газа,

m0 --масса молекулы,

п -- концентрация молекул,

v2 -- средний квадрат скорости молекул.

Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа Еk получим основное уравнение МКТ идеального газа в виде:

р = 2/3nЕk.

Однако, измерив только давление газа, невозможно узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужно измерение какой-то еще физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной в физике является температура. Температура -- скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия (состояния, при котором не происходит изменения микроскопических параметров). Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетическая величина характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией.

Ek = 3/2 kT,

где k = 1,38 * 10-23 Дж/К и называется постоянной Больцмана.

Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Измеряется температура термометрами в градусах различных температурных шкал. Существует абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) и различные эмпирические шкалы, которые отличаются начальными точками. До введения абсолютной шкалы температур в практике широкое распространение получила шкала Цельсия (за 0 °С принята точка замерзания воды, за 100 °С принята точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении).

Единица температуры по абсолютной шкале называется Кельвином и выбрана равной одному градусу по шкале Цельсия 1К = 1 °С. В шкале Кельвина за ноль принят абсолютный ноль температур, т. е. температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю. Вычисления дают результат, что абсолютный ноль температуры равен -273 °С. Таким образом, между абсолютной шкалой температур и шкалой Цельсия существует связь

Т = t °С + 273.

Абсолютный ноль температур недостижим, так как любое охлаждение основано на испарении молекул с поверхности, а при приближении к абсолютному нулю скорость поступательного движения молекул настолько замедляется, что испарение практически прекращается. Теоретически при абсолютном нуле скорость поступательного движения молекул равна нулю, т. е. прекращается тепловое движение молекул.

Билет № 8

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева - Клапейрона). Изопроцессы

Состояние данной массы газа полностью определено, если известны его давление, температура и объем. Эти величины называются параметрами состояния газа. Уравнение, связывающее параметры состояния, называется уравнением состояния.

- уравнение состояния идеального газа для произвольной массы газа

движение динамика тяготение колебание

R - универсальная газовая постоянная

Особую роль в физике и технике играют три процесса: изотермический, изохорный, изобарный.

Процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров называются изопроцессами. Из уравнения состояния как частные случаи получаются законы для изопроцессов.

Изотермический процесс - это процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре. Он описывается законом Бойля - Мариотта: для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется:

P

/

V

Изохорный процесс - это процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме. он подчиняется закону Шарля: для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется:

P

V

Изобарный процесс - это процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении. Для него справедлив закон Гей - Люссака: для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется:

V

/

T

Билет 9

Испарение и конденсация

Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Измерение влажности воздуха.

Испарение -- парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Неравномерное распределение кинетической энергии молекул при тепловом движении приводит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура тела зависит от скорости движения его молекул, следовательно, испарение сопровождается охлаждением жидкости. Скорость испарения зависит от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жидкости. Конденсация -- процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.

Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала испарения концентрация вещества в газообразном состоянии достигнет такого значения, при котором число молекул, возвращающихся в жидкость, становится равным числу молекул, покидающих жидкость за то же время. Устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации вещества. Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром. (Паром называют совокупность молекул, покинувших жидкость в процессе испарения.) пар, находящийся при давлении ниже давления насыщенного, называют ненасыщенным.

Вследствие постоянного испарения воды с поверхности водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосферное давление представляет собой сумму давления сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отличие от ненасыщенного не подчиняется законам идеального газа. Так, давление насыщенного пара не зависит от объема, но зависит от температуры. На основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от температуры составлены таблицы, по которым можно определить его давление при различных температурах.

Давление водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, называют абсолютной влажностью или упругостью водяного пара. Поскольку давление пара пропорционально концентрации молекул, можно определить абсолютную влажность как плотность водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в килограммах на метр кубический ().

Большинство явлений, наблюдаемых в природе, например, быстрота испарения, высыхание различных веществ, увядание растений, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от того, насколько это количество близко к насыщению, т. е. от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.

При низкой температуре и высокой влажности повышается теплопередача и человек подвергается переохлаждению. При высоких температурах и влажности теплопередача, наоборот, резко сокращается, что ведет к перегреванию организма. Наиболее благоприятной для человека в средних климатических широтах является относительная влажность 40-60 %.

Относительной влажностью называют отношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах:

- относительная влажность,

- плотность водяного пара,

- плотность насыщенного пара,

- давление водяного пара,

- давление насыщенного пара.

Относительная влажность колеблется в широких пределах. Причем суточный ход относительной влажности обратен суточному ходу температуры. Днем с возрастанием температуры и, следовательно, с ростом давления относительная влажность убывает, а ночью возрастает. Одно и то же количество водяного пара может либо насыщать, либо ненасыщать воздух. Понижая температуру воздуха, можно довести находящийся в нем пар до насыщения.

Точкой росы называют температуру, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара.

Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами:

· Психрометр (действие основано на сравнении показаний сухого и влажного термометров),

· Гигрометр Ламбрехта (эфирный) (для определения точки росы),

· Гигрометр волосяной (действие основано на свойстве обезжиренного волоса менять свою длину в зависимости от влажности воздуха).

Билет №10

Кристаллические и аморфные тела. Упругие и пластические деформации твердых тел

Каждый может легко разделить тела на твердые и жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) -- это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах -- это аморфные. Третьи будут изменять свое состояние при нагревании так, как показано на графике (рис. 1). Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением. Кристаллические тела -- это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решеткой. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Рис. 1

Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами. Монокристалл обладает единой кристаллической решеткой во всем объеме.

Анизотропия монокристаллов заключается в зависимости их физических свойств от направления. Поликристалл представляет собой соединение мелких, различным образом ориентированных монокристаллов (зерен) и не обладает анизотропией свойств.

Большинство твердых тел имеют поликристаллическое строение (минералы, сплавы, керамика).

Основными свойствами кристаллических тел являются: определенность температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от порядка расположения атомов, т. е. от типа кристаллической решетки.

Аморфными называют вещества, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны. Это значит, что свойства одинаковы по всем направлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует определенная температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. п.

Упругость -- свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. Для упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому упругие деформации прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям. Для деформации растяжения - сжатия закон Гука имеет вид:

где - механическое напряжение,

- относительное удлинение

- абсолютное удлинение

- модуль Юнга (модуль упругости)

Упругость обусловлена взаимодействием и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.

Пластичность -- свойство твердых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после того, как действие этих сил прекратится. Такие деформации называются пластическими.

Билет № 11

Работа в термодинамике. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. Адиабатный процесс

Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия - это величина, характеризующая собственное состояние тела, т. е. энергия теплового движения микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов) и энергия взаимодействия этих частиц.

Найдем внутреннюю энергию одноатомного идеального газа. Если потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий хаотического теплового движения всех его молекул.

, , ,

[Дж]

Внутренняя энергия может изменяться только в результате взаимодействия с другими телами. Существует два способа изменения внутренней энергии:

1. теплопередача,

2. совершение механической работы.

Теплопередача - это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность, конвекция, излучение.

Найдем работу в термодинамике.

/

h

- сила, действующая на газ со стороны поршня, - сила, действующая на поршень со стороны газа.

= -(по третьему закону Ньютона), ,

- работа газа [Дж]

Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты Q [Дж].

Рассмотрим три тела 1, 2, 3. между телом 1 и 2 осуществляется теплопередача, а между 1 и 3 происходит механическое взаимодействие, тогда , . В результате теплопередачи и механического взаимодействия внутренняя энергия каждого из трех тел изменилась, но по закону сохранения энергии внутренняя энергия остается неизменной. Следовательно,

Первый закон термодинамики:

1. в неизолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии равно сумме количества теплоты, переданного системе, и работы внешних сил: .

- работа внешних сил, - работа газа.

2. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы и изменение ее внутренней энергии: .

Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам. В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не изменяется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: , т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется.

В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы:.

При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е. А=0, и уравнение первого закона термодинамики имеет вид: , т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.

Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой Q = 0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следовательно газ охлаждается . Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатой.

Второй закон термодинамики: невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах (Клаузиус).

Билет № 12

Взаимодействие заряженных тел. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона

Электрическое поле - это материальный передатчик взаимодействия электрических зарядов, который существует вокруг наэлектризованных тел. Свойства электрического поля:

1. создается зарядами,

2. действует на заряды.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной -- электрическим зарядом, который обозначается q. Единица измерения электрического заряда -- кулон (Кл). 1 кулон -- это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А.

Способность электрических зарядов, как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен:

е=1,6*10-19 Кл.

Закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе, в которую не входят извне электрические заряды и из которой не выходят заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной:

q1 + q2 + ...+qn = const.

Никогда и нигде в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц -- электронов -- от одних тел к другим.

Электризация -- это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при трении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов. В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка -- положительный. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика. Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном.

Закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой соединяющей эти заряды:

F = k * q1q2/r2

где q1, q2-- модули зарядов, r -- расстояние между ними, k -- коэффициент пропорциональности. k = 9 * 109 Н * м2/Кл2.

Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды е. Для среды с диэлектрической проницаемостью е закон Кулона записывается следующим образом:

F= k * q1q2/(е*r2)

Билет № 13

Конденсаторы. Электроемкость конденсатора. Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов

Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы. Конденсатор - это система состоящая из двух параллельных проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные диэлектриком, образуют плоский конденсатор. Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность между пластинами будет в 2 раза больше, чем напряженность одной пластины. Вне пластин напряженность равна нулю. Обозначаются конденсаторы на схемах так:

1. конденсатор постоянной емкости

2. конденсатор переменной емкости

Электроемкостью конденсатора называют величину, равную отношению величины заряда одной из пластин к напряжению между ними:

[Ф] (фарад)

1Ф - это электроемкость такого конденсатора, напряжение между обкладками которого равно 1 В при сообщении разноименных зарядов по 1 Кл.

- электроемкость плоского конденсатора,

где: - электрическая постоянная, =,

- диэлектрическая проницаемость среды,

- площадь обкладки конденсатора,

- расстояние между обкладками (толщина диэлектрика).

В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы бывают:

- воздушные,

- бумажные,

- слюданные.

Зарядим конденсатор и затем подключим к его выводам электрическую лампочку. При подключении лампочки наблюдается кратковременная вспышка света. Из этого опыта следует, что заряженный конденсатор обладает энергией. Если на обкладках конденсатора емкостью находятся электрические заряды и , то согласно

В процессе разрядки конденсатора напряжение между его обкладками убывает прямо пропорционально заряду от первоначального значения до 0. Среднее значение напряжения в процессе разрядки равно: .

Для работы А, совершаемой электрическим полем при разрядке конденсатора будем иметь:

.

Следовательно, потенциальная энергия конденсатора равна:

.

Энергия конденсатора обусловлена тем, что электрическое поле между его обкладками обладает энергией. Напряженность поля пропорциональна напряжению, поэтому энергия электрического поля пропорциональна квадрату его напряжения.

Конденсаторы применяются для накопления электрической энергии и использования ее при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного тока, в выпрямителях, колебательных контурах и других радиоэлектронных устройствах.

Билет № 14

Работа и мощность в цепи постоянного тока. ЭДС. Закон Ома для полной цепи

Электрический ток - упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля (за направление тока принято направление движения положительного заряда).

Работу сил электрического тока, создающего электрический ток называют работой тока. Из формулы

A - работа [Дж]

Мощность по определению

- мощность [Вт]

Ленц (русский ученый) и Джоуль (английский ученый) установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля - Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику:

- количество теплоты [Дж]

Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внешние сопротивления и источник тока.

Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщалась дополнительная энергия, она появляется за счет работы по перемещению зарядов, которую производят силы неэлектрического происхождения (сторонние силы) против сил электрического поля. Источник тока характеризуется энергетической характеристикой, которая называется ЭДС - отношение работы совершаемой сторонними силами по перемещению заряда вдоль цепи, к значению этого заряда:

- электродвижущая сила [В].

Пусть за время через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд . Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда можно записать:

.

При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых и , выделяется некоторое количество теплоты. По закону Джоуля - Ленца:

следовательно

Произведение силы тока и сопротивления участка цепи называют падением напряжения на этом участке. Закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи . [A]

Билет № 15

Магнитное поле. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие

Опыт Эрстеда:

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее (рис. 19). (Если изменить направление тока в проводнике, то перпендикулярно проводнику повернется противоположный конец магнитной стрелки). Таким образом Эрстед доказал, что электрический ток действует на магнитную стрелку.

Опыт Ампера:

В том же году французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течет по ним в одну сторону, и отталкивание, если токи текут в разные стороны (рис. 20). Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием.

Данные опыты доказывают, что подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, так в пространстве окружающем токи (и постоянные магниты) возникает поле, называемое магнитным полем.

Свойства магнитного поля:

1. создается только движущимися зарядами,

2. действует только на движущиеся заряды.

Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В). Магнитная индукция это векторная физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока.

.

Единичный элемент тока -- это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла: 1 Тл = 1 Н/А * м.

Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии индукции, -- это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление силовых линий находится по правилу буравчика: если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий.

Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 21).

Ампер установил, на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. Сила, действующая со стороны, магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока, длине проводника в магнитном поле и перпендикулярной составляющей вектора магнитной индукции. Это и есть формулировка закона Ампера, который записывается так:

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца показывали направление тока в проводнике, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 22).

Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу называют силой Лоренца:

.

Направление силы Лоренца находится по правилу левой руки: ладонь левой руки расположить так, чтобы:

· вектор магнитной индукции входил в ладонь,

· направление скорости - по направлению четырех пальцев, тогда направление силы Лоренца для положительного заряда по направлению большого пальца, для отрицательного заряда - против направления.

Билет № 16

Полупроводники. Полупроводниковые приборы

Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц. По тому как вещества проводят электрический ток различают проводники, полупроводники, диэлектрики.

Полупроводники -- это вещества с ковалентными связями, у которых электрическое сопротивление (число свободных зарядов) существенно зависит от температуры и освещения. К полупроводниковым материалам относятся: сурьма, кремний, германий, индий, сера.

При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда, называемого «дыркой». При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» -- ток дырочной проводимости.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают до-норные и акцепторные. Донорная примесь -- это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа.

Пример: для кремния с валентностью п = 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью п = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь -- это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником p-типа.

Пример: для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р-п перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и n-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в p-область, а «дырок» -- наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечный во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

р-п контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р-п контакт будет проводить ток, электроны из области n- пойдут в р-область, а «дырки» из p-области в n-область (рис. 23).

Односторонняя проводимость р-п перехода нашла широкое применение в приборах для выпрямления переменного тока - полупроводниковых диодах

Полупроводниковый диод состоит из контакта двух полупроводников р- и n-типа. Достоинством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия, а недостатком -- зависимость их сопротивления от температуры.

В радиоэлектронике применяется также еще полупроводниковый прибор: транзисторы. В основе триода лежат два р-п перехода. Основное применение транзистора -- это использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. В технике применяются также полупроводниковые приборы без р-п перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фоторезисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видеомагнитофонами).

Билет № 17

Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца

Явление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 г. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного поля внутри замкнутого контура в нем возникает электрический ток, который называют индукционным током.

Опыты Фарадея:

При внесении или вынесении магнита в катушку, замкнутую на гальванометр, в катушке возникает индукционный ток.

если рядом расположить две катушки (например, на общем сердечнике, или одну катушку внутри другой) и одну катушку соединить через ключ с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток.

Объяснение этого явления было дано Максвеллом. Любое переменное магнитное поле всегда порождает переменное электрическое поле.

Для количественной характеристики процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур вводится физическая величина под названием магнитный поток. Магнитным потоком через замкнутый контур площадью S называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь контура S и на косинус угла а между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к площади контура:

Ф = BS cos б (1)

Ф - магнитный поток [Вб]

S - площадь контура

В - магнитная индукция [Тл]

Экспериментальное исследование зависимости ЭДС индукции от изменения магнитного потока привело к установлению закона ЭМИ: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модулю скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

(2)

[В]

Если рассматривать катушку, состоящую из n-витков, то формулу закона ЭМИ можно записать так:

Из (2) выразим магнитный поток: , отсюда следует смысл размерности магнитного потока: 1 Вб - это величина магнитного потока, который уменьшаясь до нуля за одну секунду, через замкнутый контур наводит в нем ЭДС индукции 1 В.

Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является опыт Фарадея: чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.

направление индукционного тока в контуре зависит от того, возрастает или убывает магнитный поток, пронизывающий контур, а также от направления вектора индукции магнитного поля относительно контура. Общее правило, позволяющее определить направление индукционного тока в контуре, было установлено в 1833 году Э. Х. Ленцем.

Правило Ленца можно наглядно показать с помощью легкого алюминиевого кольца (рис. 27). Опыт показывает, что при внесении постоянного магнита, кольцо отталкивается от него, а при удалении - притягивается к нему. Результат опытов не зависит от полярности магнита.

Отталкивание или притяжение сплошного кольца объясняется возникновением индукционного тока в кольце при изменениях магнитного потока через кольцо и действием на индукционный ток магнитного поля. Очевидно, что при вдвигании магнита в кольцо индукционный ток в нем имеет такое направление, что создаваемое этим током магнитное поле противодействует внешнему магнитному полю, а при выдвигании магнита индукционный ток в нем имеет такое направление, что вектор индукции его магнитного поля совпадает по направлению с вектором индукции внешнего поля.

Правило Ленца: возникающий в замкнутом контуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитный поток через площадь, ограниченную контуром, стремится компенсировать то изменение магнитного потока, которым вызывается данный ток.

С учетом правила Ленца закон ЭМИ записывается так:

Билет № 18

Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля

При изменении силы тока в катушке происходит изменение магнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потока, пронизывающего катушку, должно вызывать появление ЭДС индукции в катушке.

Явление возникновения ЭДС индукции в электрической цепи в результате изменения силы тока в этой цепи называется самоиндукцией.

Примером явления самоиндукции является опыт с двумя лампочками, подключенными параллельно через ключ к источнику тока, одна из которых подключается через катушку. При замыкании ключа лампочка 2 загорается позже лампочки 1. это происходит потому, что после замыкания ключа сила тока достигает максимального значения не сразу, магнитное поле нарастающего тока породит в катушке индукционную ЭДС, которая в соответствии с правилом Ленца будет мешать нарастанию силы тока.

Используя закон ЭМИ, можно получить такое следствие ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности и скорости изменения силы тока в катушке:

или

- индуктивность [Гн]

Индуктивность -- это величина, равная ЭДС самоиндукции при скорости изменения тока в проводнике 1 А за 1 с. Индуктивность измеряется в генри (Гн).

1 Гн = 1 Вс/А.

1 Гн - это индуктивность такого проводника, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 В при скорости изменения силы тока 1 А/с.

Индуктивность зависит от магнитной проницаемости среды сердечника, размеров и формы катушки и числа витков в ней.

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампочка, включенная параллельно катушке дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки.

Энергию магнитного поля катушки индуктивности можно вычислить следующим образом. Для упрощения расчета рассмотрим такой случай, когда после отключения катушки от источника ток в цепи убывает со временем по линейному закону. В этом случае ЭДС самоиндукции имеет постоянное значение равное:

где: t - промежуток времени, за который сила тока в цепи убывает от начального значения I до нуля.

За время t при линейном убывании силы тока от I до нуля в цепи проходит электрический заряд: , поэтому работа электрического тока равна:

.

Эта работа совершается за счет энергии магнитного поля катушки. Энергия магнитного поля катушки индуктивности равна половине произведения ее индуктивности на квадрат силы тока в ней:

[Дж]

Билет № 19

Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Превращение энергии при электромагнитных колебаниях

Электромагнитные колебания -- это колебания электрических и магнитных полей, которые сопровождаются периодическим изменением заряда, тока и напряжения. Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать электромагнитные колебания, является колебательный контур. Колебательный контур -- это система, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (рис. 30, а).

Если конденсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по катушке потечет ток (рис. 30, б). Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоиндукции в катушке. Индукционный ток, в соответствии с правилом Ленца, будет течь в ту же сторону и перезарядит конденсатор (рис. 30, в). Ток в данном направлении прекратится, и процесс повторится в обратном направлении (рис. 30, г).

Таким образом, в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора (Wэ = = CU2/2) в энергию магнитного поля катушки с током (wm = LI2/2) и наоборот.

Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре (т. е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томпсона:

Т = 2рvLC.

Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью н = 1/Т.

В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания будут затухающими из-за потерь энергии на нагревание проводов. Для практического применения важно получить незатухающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять электроэнергией, чтобы скомпенсировать потери энергии. Для получения незатухающих электромагнитных колебаний применяют индукционный генератор.

Согласно закону ЭМИ в нем возникает ЭДС с частотой50 Гц, изменяющаяся по гармоническому закону: .

Под действием ЭДС и идет переменный ток с частотой 50 Гц во всех лампочках, холодильниках и стиральных машинах в квартирах.

Переменный ток - это вынужденные электромагнитные колебания. Действительно, если ток изменяется по гармоническому закону , то его магнитное поле также совершает гармонические колебания с частотой . Причина тока - электрическое поле. Следовательно, с такой же частотой меняется электрическое поле в проводнике.

Билет № 20

Электромагнитные волны и их свойства. Принципы радиосвязи и примеры их практического использования

Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме. Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами.

По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 31).

Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.

Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.

Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме по расчетам Максвелла должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.

Впервые опытным путем получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав при этом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны -- это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.

Электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.

Они подчиняются закону отражения волн: угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.

Явление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция -- это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах -- гасят. (Когерентные волны -- это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.

При распространении электромагнитной волны векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис. 32).

Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский физик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле -- сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур называется закрытым (рис. 33, а). Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 33, б). Предельным случаем раскрытого колебательного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 33, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода -- антенны.

Энергия излучаемых (при помощи генератора незатухающих колебаний) электромагнитных колебаний при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность электромагнитных колебаний ничтожно мала. Поэтому для осуществления радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен мегагерц.

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс -- детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые низкочастотные колебания.

С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предмета. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.)

Билет № 21

Волновые свойства света. Электромагнитная теория света

Свет -- это электромагнитные волны в интервале частот 63 * 1014 - 8 * 1014 Гц, воспринимаемых человеческим глазом, т. е. длин волн в интервале 380 - 770 нм.

Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде скорость убывает.

Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина). Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны. Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее. На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волны (рис. 34).

Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути. При разности хода I, кратной целому числу длин волн

l = 2k л/2

наблюдается интерференционный максимум.

При разности хода, кратной нечетному числу полуволн

l = (2k + 1) л/2

наблюдается интерференционный минимум. Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн. Поэтому освещенная белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной. Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей просветления оптики.

При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то получается картина из чередующихся светлых и темных полос.

Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называют дифракцией света. Дифракция объясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклонения из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой. Дифракция света используется в спектральных приборах, основным элементом в которых является дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку с нанесенной на ней системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.

Пусть на решетку (рис. 35) падает монохроматический (определенной длины волны) свет. В результате дифракции на каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении,

но и по всем другим направлениям. Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну полоску.

Параллельные лучи, идущие от краев соседних щелей, имеют разность хода : l= d sin ц,

где d -- постоянная решетки -- расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое периодом решетки,

ц -- угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки.

При разности хода, равной целому числу длин волн

dsin ц = kл,

наблюдается интерференционный максимум для данной длины волны. Условие интерференционного максимума выполняется для каждой длины волны при своем значении дифракционного угла ц. В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр. Угол дифракции имеет наибольшее значение для красного света, так как длина волны красного света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значение угла дифракции для фиолетового света.

Опыт показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые кристаллы, например, исландского шпата, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления.

Если же второй кристалл повернут на 90°, то свет через него не проходит. Происходит явление поляризации, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости, плоскости поляризации. Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.

Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета, при этом наибольшее отклонение к основанию призмы имеют лучи фиолетового цвета. Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, а показатель преломления света зависит от длины его волны. Показатель преломления связан со скоростью света в среде, следовательно, скорость света в среде зависит от длины волны. Это явление и называют дисперсией света.

На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет -- это электромагнитная волна. Эта гипотеза подтверждена свойствами, которыми обладает свет.

Билет № 22

Опыты Резерфорда по рассеянию - частиц. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала 20 века, подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу 20 века в науке накопилось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.

Большие успехи в исследовании строения атомов были достигнуты в опытах английского ученого Резерфорда по рассеянию -частиц при прохождении через тонкие слои вещества. В этих опытах узкий пучок -частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направляется на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещается экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обнаружено, что большинство -частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т. е. рассеиваться, а некоторые -частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние -частиц Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд не распределен равномерно в шаре радиусом м, как предлагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома - атомном ядре. При прохождении около ядра -частица, имеющая положительный заряд, отталкивается от него, а при попадании в ядро - отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует центральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно м.

Резерфорд предложил, что атом устроен подобно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вращаются электроны (как планеты вокруг Солнца). Заряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов: электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом - это устойчивая система; при движении по круговой орбите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейчатый спектр. Разрешить противоречия планетарной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.

В основу своей теории Бор положил два постулата:

1. Атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.

Это означает, что электрон (например, в атоме водорода) может находиться на нескольких вполне определенных орбитах. Каждой орбите электрона соответствует определенная энергия.

2. При переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях:

- постоянная Планка.

При переходе электрона с ближайшей орбиты на более удаленную атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии. Теория Бора позволила объяснить существование линейчатых спектров.

Билет № 23

Испускание и поглощение света атомами. Спектральный анализ

Совокупность частот электромагнитных волн, которые присутствуют в излучении любого тела, называется спектром излучения. Спектры бывают сплошные, линейчатые и полосатые.

Сплошные спектры дают вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всех частот видимого света и поэтому выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. Изолированные атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так у атома данного вещества свой, характерный только для него спектр. Линейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделенные промежутками. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со соей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определенных орбит на другие, вполне определенные орбиты для данного химического вещества.

Полосатые спектры создаются молекулами не связанными или слабо связанными друг с другом. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются отдельные серии линий, воспринимаемые как отдельные полосы, разделенные темными промежутками.

Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и поглощается, т. е. спектры излучения по набору излучаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует способ определения химического состава вещества методом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава атмосфер планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.

Спектральный анализ электромагнитного излучения звезд - единственный способ определения их химического состава. Кроме этого анализ спектров позволяет определить температуру звезд, скорость их движения.

Билет № 24

Фотоэффект. Законы фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта в технике

Фотоэффект - это явление испускания электронов веществом под действием света. Если вырванные электроны вылетают за пределы вещества, то такой фотоэффект называют внешним. Фотоэффект был открыт в 1887 году Герцем, а затем экспериментально его исследовал русский ученый А. Г. Столетов.

В вакуумной трубке помещены два электрода - катод из исследуемого металла и анод, подключенные к источнику напряжения. Напряжение между электродами измеряли вольтметром, а силу в цепи - гальванометром. Без освещения катода в цепи тока нет. При освещении электроны, вырываемые светом из катода под действием электрического поля, притягиваются к положительно заряженному аноду. Возникающий в цепи электрический ток называют фототоком, а вырванные электроны фотоэлектронами. Фототок возникает даже в отсутствие разности потенциалов между анодом и катодом.

С увеличением разности потенциалов между анодом и катодом сила тока возрастает. При некотором напряжении она достигает максимального значения, называемого фототоком насыщения .

Были установлены законы фотоэффекта:

1. Фототок насыщения прямо пропорционален интенсивности света, падающего на катод.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов прямо пропорциональна частоте света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует максимальная частота света называемая красной границей фотоэффекта, ниже которой фотоэффект невозможен.

Явление фотоэффекта и его законы были объяснены на основе предложенной Эйнштейном квантовой теории света. Согласно этой теории, распространение света следует рассматривать не как непрерывный волновой процесс, а как поток дискретных световых квантов - фотонов с энергией . Интенсивность света прямо пропорциональна числу фотонов и энергии каждого из них . Каждый фотон поглощается целиком только одним электроном. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов (а стало быть, и фототок насыщения ), пропорционально , т. е. интенсивности света (1 закон фотоэффекта).

Объяснить второй и третий законы фотоэффекта Эйнштейну удалось с помощью закона сохранения энергии. Энергия связи электрона в металле характеризуют работой выхода . Работа выхода - это минимальная работа, которую нужно совершить для удаления электрона из металла.

Энергия фотона идет на совершение работы выхода и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии:

,

где: Джс - постоянная Планка.

Закон сохранения энергии называют уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Кинетическая энергия фотоэлектрона линейно зависит от частицы света (2 закон фотоэффекта):

.

График зависимости кинетической энергии от частоты :

0

Кинетическая энергия всегда положительна. Это значит, что фотоэффект будет наблюдаться для частот: .

Предельная частота , определяет красную границу фотоэффекта, ниже которой он невозможен (3 закон фотоэффекта): .

Излучение такой длины волны находится в красном диапазоне видимого спектра, чем и объясняется - красная граница. Фотоэффект нашел широкое в технике. Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатком такого фотоэлемента являются слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяются в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

Билет №25

Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома. Цепная ядерная реакция условия и ее протекания. Термоядерные реакции

В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик открыл частицы с нулевым электрическим зарядом и единичной массой. Эти частицы назвали нейтронами. Обозначается нейтрон п. После открытия нейтрона физики Д. Д. Иваненко и Вернер Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Общее название протонов и нейтронов -- нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу.

Пример: ядро атома кислорода 168O состоит из 8 протонов и 16 - 8 = 8 нейтронов. Ядро атома 23592U состоит из 92 протонов и 235 - 92 = 143 нейтронов.

Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изотопов отличаются числом нейтронов.

Пример: водород имеет три изотопа:

протий -- ядро состоит из одного протона,

дейтерий -- ядро состоит из одного протона и одного нейтрона,

тритий -- ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.

Если сравнить массы ядер с массами нуклонов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, существует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы. М = Мя - (Mp + Мn).

Так как между массой и энергией существует связь Е = mc2, то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия называется энергией связи атомного ядра:

Есв = Мс2.

Выделение этой энергии может происходить при ядерных реакциях.

Ядерная реакция -- это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при взаимодействии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции.

Цепная реакция деления -- это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k > 1, где k -- коэффициент размножения нейтронов, т. е. отношение числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Способностью к цепной ядерной реакции обладает изотоп урана 235U. При наличии определенных критических параметров (критическая масса -- 50 кг, шаровая форма радиусом 9 см) три нейтрона, выделившиеся при делении первого ядра попадают в три соседних, ядра и т. д. Процесс идет в виде цепной реакции, которая протекает за доли секунды в виде ядерного взрыва. Неуправляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цепной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова.

Термоядерные реакции -- это реакции синтеза легких ядер, происходящие при высокой температуре (примерно 107 К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция осуществлена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией.

Билет № 26

Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и методы их регистрации. Биологическое действие ионизирующих излучений

Радиоактивность - это испускание ядрами некоторых элементов различных частиц, сопровождающееся переходом ядра в другое состояние и изменением его параметров. Явление радиоактивности было открыто опытным путем Беккерелем в 1896 году для солей урана. Беккерель заметил, что соли урана засвечивают завернутую во много слоев фотобумагу невидимым проникающим излучением.

Резерфорд исследовал радиоактивное излучение в электрических и магнитных полях и открыл три составляющие этого излучения, которые были названы излучением.

- распад представляет собой излучение - частиц (ядер гелия) высоких энергий. При этом масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд - на 2 единицы.

- распад - излучение электронов, заряд которых возрастает на единицу, массовое число не изменяется.

-излучение представляет собой испускание возбужденным ядром квантов света высокой частоты. Параметры ядра при - излучении не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией. Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит цепочка последовательных радиоактивных превращений. Процесс распада всех радиоактивных элементов идет до свинца. Свинец - конечный продукт распада.

Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений называются детекторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы, обнаруживающие ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества: газоразрядный счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера. Например, действие счетчика Гейгера основано на ударной ионизации. Существует также метод фотоэмульсий, основанный на способности пролетающей частицы создавать в фотоэмульсии скрытое изображение. След пролетевшей частицы виден на фотографии после проявления.

Радиоактивные излучения оказывают сильное биологическое действие на ткани живого организма, заключающееся в ионизации атомов и молекул среды. Возбужденные атомы и ионы обладают сильной химической активность, поэтому в клетках организма появляются новые химические соединения, чуждые здоровому организму. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и элементы клеточных структур. В человеческом организме нарушается процесс кроветворения, приводящий к дисбалансу белых и красных кровяных телец. Человек заболевает белокровием (лучевой болезнью). Большие дозы облучения приводят к смерти.

Поглощенная доза излучения - это отношение поглощенной энергии к массе облучаемого вещества: [Гр] (грей).

Допустимая доза облучения составляет <0,25 Гр. Доза облучения 6 -10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.