УМК Физика для студентов I курса технического профиля
Г(О)БОУ СПО «Задонский политехнический техникум»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
ФИЗИКА
«общеобразовательный цикл»
технический профиль
основной профессиональной образовательной программы
по специальностям:
190631 Техническое обслуживание и ремонт
автомобильного транспорта,
140448 Техническая эксплуатация и обслуживание
электрического и электромеханического
оборудования (по отраслям),
260203 Технология мяса и мясных продуктов
ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ
ЗАДОНСК, 2012 г.
Составитель: Акатова Г.С., преподаватель физики Г(О)БОУ СПО «Задонский политехнический техникум»
Учебно-методический комплекс по дисциплине название (далее УМКД) – является частью основной профессиональной образовательной программы Г(О)БОУ СПО «Задонский политехнический техникум» по специальностям СПО 190631 Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта,140448 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям),260203 Технология мяса и мясных продуктов, разработанной в соответствии с примерной программой учебной дисциплины «Физика» предназначенной для изучения физики в учреждениях начального и среднего профессионального образования, реализующих образовательную программу среднего (полного) общего образования, при подготовке квалифицированных рабочих и специалистов среднего звена и одобренной ФГУ «Федеральный институт развития образования» 10.04.2008 г. и утвержденной Департаментом государственной политики и нормативно-правового регулирования в сфере образования Минобрнауки России 16.04.2008 г по специальностям среднего профессионального образования. Учебно-методический комплекс по дисциплине (УМКД) Физика адресован студентам очной формы обучения.
УМКД включает теоретический блок, перечень практических занятий и лабораторных работ, задания по самостоятельному изучению тем дисциплины, вопросы для самоконтроля, перечень точек рубежного контроля, а также вопросы и задания по промежуточной аттестации.
СОДЕРЖАНИЕ
Наименование разделов стр.
1. Введение 42. Образовательный маршрут 6
3. Содержание дисциплины 7
4. Контроль и оценка результатов освоения учебной дисциплины 124
5. Информационное обеспечение дисциплины 128
УВАЖАЕМЫЙ СТУДЕНТ!
Учебно-методический комплекс по дисциплине (далее УМКД) Физика создан Вам в помощь для работы на занятиях, при выполнении домашнего задания и подготовки к текущему и итоговому контролю по дисциплине.
УМКД включает теоретический блок, перечень практических занятий и/или лабораторных работ, задания по самостоятельному изучению тем дисциплины, вопросы для самоконтроля, перечень точек рубежного контроля, а также вопросы и задания по промежуточной аттестации (экзамена).
Приступая к изучению новой учебной дисциплины, Вы должны внимательно изучить список рекомендованной основной и вспомогательной литературы. Из всего массива рекомендованной литературы следует опираться на литературу, указанную как основную.
По каждой теме в УМК перечислены основные понятия и термины, вопросы, необходимые для изучения (план изучения темы), а также краткая информация по каждому вопросу из подлежащих изучению. Наличие тезисной информации по теме позволит Вам вспомнить ключевые моменты, рассмотренные преподавателем на занятии.
Основные понятия курса приведены в глоссарии.
После изучения теоретического блока приведен перечень практических и лабораторных работ, выполнение которых обязательно. Наличие положительной оценки по практическим и лабораторным работам необходимо для получения зачета по дисциплине и допуска к экзамену, поэтому в случае отсутствия на уроке по уважительной или неуважительной причине Вам потребуется найти время и выполнить пропущенную работу.
В процессе изучения дисциплины предусмотрена самостоятельная внеаудиторная работа, включающая проработку конспектов занятий, учебной и специальной технической литературы (по вопросам к параграфам, главам учебных пособий, составленным преподавателем), поиска информации и отчета в форме компьютерной презентации, оформления лабораторной работы, отчета и подготовки к её защите.
Содержание рубежного контроля (точек рубежного контроля) составлено на основе вопросов самоконтроля, приведенных по каждой теме.
По итогам изучения дисциплины проводится экзамен.
Экзамен сдается по билетам либо в тестовом варианте, вопросы к которому приведены в конце УМКД.
В результате освоения дисциплины Вы должны достичь следующих целей:
освоение знаний о фундаментальных физических законах и принципах, лежащих в основе современной физической картины мира; наиболее важных открытиях в области физики, оказавших определяющее влияние на развитие техники и технологии; методах научного познания природы;
овладение умениями проводить наблюдения, планировать и выполнять эксперименты, выдвигать гипотезы и строить модели, применять полученные знания по физике для объяснения разнообразных физических явлений и свойств веществ; практического использования физических знаний; оценивать достоверность естественнонаучной информации;
развитие познавательных интересов, интеллектуальных и творческих способностей в процессе приобретения знаний и умений по физике с использованием различных источников информации и современных информационных технологий; воспитание убежденности в возможности познания законов природы; использования достижений физики на благо развития человеческой цивилизации; необходимости сотрудничества в процессе совместного выполнения задач, уважительного отношения к мнению оппонента при обсуждении проблем естественнонаучного содержания; готовности к морально-этической оценке использования научных достижений, чувства ответственности за защиту окружающей среды;
использование приобретенных знаний и умений для решения практических задач повседневной жизни, обеспечения безопасности собственной жизни, рационального природопользования и охраны окружающей среды.
В результате освоения дисциплины у Вас должны формироваться общие компетенции (ОК):
ОК 1. Понимать сущность и социальную значимость своей будущей профессии, проявлять к ней устойчивый интерес.
ОК 2. Организовывать собственную деятельность, выбирать типовые методы и способы выполнения профессиональных задач, оценивать их эффективность и качество.
ОК 3. Принимать решения в стандартных и нестандартных ситуациях и нести за них ответственность.
ОК 4. Осуществлять поиск и использование информации, необходимой для эффективного выполнения профессиональных задач, профессионального и личностного развития.
ОК 5.Использовать информационно-коммуникационные технологии в профессиональной деятельности.
ОК 6. Работать в коллективе и в команде, эффективно общаться с коллегами, руководством, потребителями.
ОК 7. Брать на себя ответственность за работу членов команды (подчиненных), за результат выполнения заданий.
ОК 8. Самостоятельно определять задачи профессионального и личностного развития, заниматься самообразованием, осознанно планировать повышение квалификации.
ОК 9. Ориентироватьсяв условиях частой смены технологий в профессиональной деятельности.
ОК 10. Исполнять воинскую обязанность, в том числе с применением полученных профессиональных знаний (для юношей).
Внимание! Если в ходе изучения дисциплины у Вас возникают трудности, то Вы всегда можете прийти на дополнительные занятия к преподавателю, которые проводятся согласно графику. Время проведения консультаций Вы сможете узнать у преподавателя, а также познакомившись с графиком их проведения, размещенном на двери кабинета преподавателя.
ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ МАРШРУТ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Таблица 1
Формы отчетности, обязательные для сдачи количество
лабораторные занятия 13
практические занятия 37
точки рубежного контроля 4
итоговая аттестация экзамен
Желаем Вам удачи!
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Введение.
Основные понятия и термины по теме: физика, физическая модель, научный метод, теория, эксперимент, физический закон, научная гипотеза.
План изучения темы:
Физика – наука о природе. Естественнонаучный метод познания, его возможности и границы применимости.
Роль эксперимента и теории в процессе познания природы.
Моделирование физических явлений и процессов. Физические законы.
Основные элементы физической картины мира.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Физика – это наука, занимающаяся изучением основополагающих и вместе с тем наиболее общих свойств окружающего нас материального мира. В настоящее время физика очень тесно связана с астрономией, геологией, химией, биологией и другими естественными науками. Физика – наука о неживой природе. Любое природное явление в окружающем нас мире имеет множество характеристик и признаков. Желание систематизировать их, понять причины различных проявлений, предсказать их стимулировали научное познание. Начало научному познанию в физике как науке положил итальянский учёный Галилео Галилей, поставивший первые физические эксперименты и предложивший теоретическое объяснение движения тел. Изучая падение тел разной массы, он впервые провёл измерения физических величин при падении тел с высоты и получил количественные соотношения между ними. Естественнонаучный метод познания состоит в следующем: опираясь на опыт, отыскивают количественные (формулируемые математически) законы природы; открытые законы проверяются практикой. Дополнительную информацию можно получить лишь с помощью экспериментальных установок. Суть любого эксперимента – наблюдение явления и получение данных, характеризующих результаты исследований. Наблюдение – это целенаправленный строгий процесс восприятия предметов действительности, которые не должны быть изменены. Наблюдение как метод познания применяется либо там, где невозможен или очень затруднен эксперимент (в астрономии, вулканологии, гидрологии), либо там, где стоит задача изучить именно естественное функционирование или поведение объекта (в этологии, социальной психологии и т.п.). Наблюдение как метод предполагает наличие программы исследования, формирующейся на базе прошлых убеждений, установленных фактов, принятых концепций. Частными случаями метода наблюдения являются измерение и сравнение. Эксперимент – метод познания, при помощи которого явления действительности исследуются в контролируемых и управляемых условиях. Он отличается от наблюдения вмешательством в исследуемый объект, то есть активностью по отношению к нему. Проводя эксперимент, исследователь не ограничивается пассивным наблюдением явлений, а сознательно вмешивается в естественный ход их протекания путем непосредственного воздействия на изучаемый процесс или изменения условий, в которых проходит этот процесс.
Научная теория содержит постулаты, определения, гипотезы и законы, объясняющие явления. Постулат – это предположение, которое не нуждается в строгом доказательстве, но должно быть сделано веско и обоснованно (правдоподобно) на основе фактов или исходя из систематических или практических объяснений. Физический закон – описание соотношений в природе, проявляющихся при определённых условиях эксперименте. Особенность закона состоит в том, что с его помощью мжно описать другие явления, с которыми были поставлены эксперименты. Научная гипотеза – предположение о том, что существует связь между известным и вновь объясняемым явлением. Любая созданная теория должна быть подтверждена экспериментом. Расхождение теории с практикой приводит к совершенствованию старой или созданию принципиально новой теории, дающей новые законы и более глубокое понимание физической реальности. Особенно ценной в науке считается терия, предсказывающая новые экспериментальные данные, которые не могут быть объяснены в рамках старой теории. Примером такой теории в физике является теория относительности Альберта Эйнштейна, предсказавшая и количественно описавшая изменение массы движущегося тела со скоростью, соизмеримой со скоростью света, явление, которое нельзя было объяснить в рамках теории классической физики. Особенность фундаментальных теорий – их преемственность. Теория может иметь границы применимости. Например, классическая механика справедлива для описания движения тел, скорость которых много меньше скорости света, но с помощью законов Ньютона нельзя описать процессы в микромире. Ни одна научная теория на может быть признана окончательной и верной навсегда. Всегда существует вероятность, что новые наблюдения потребуют поправок к теории. Физику называют экспериментальной наукой. Дело в том, что опыт имеет в этой науке очень важное значение. Многие законы физики открыты благодаря наблюдениям за явлениями природы или специально поставленным опытам. Проводя опыт (эксперимент), физик как бы вопрошает природу. А для того, чтобы ее ответ был ясным и четким, требуется особое искусство: вопрос природе нужно задавать так, чтобы исключить различные толкования ответа, т. е. он должен быть однозначным и доказательным. Этот ответ природа дает в виде показаний приборов. В прошлом приборы были простыми. Считалось, что тот, кто не способен собрать нужный ему прибор из подручных материалов, имеющихся в любой лаборатории, - стеклянных трубок, обрезков резиновых шлангов, палочек, сургуча и т. п. - недостоин звания физика. Со временем вопросы, которые физики задавали природе, стали более изощренными, касались все более тонких и сложных явлений, и приборы соответственно стали сложнее. Если есть возможность, эксперимент повторяют: воспроизводимость результатов - веский аргумент в пользу правильности полученных данных, позволяющий исключить случайную ошибку. В итоге у физиков скапливается целый ворох чисел, кривых, видеоматериалов и т. п., характеризующих исследуемое явление. В таком «сыром виде» информация труднообозрима, и работать с ней неудобно. Ее необходимо сжать, придав вид той или иной зависимости или записав в виде уравнения. Вывод уравнения всегда большая удача исследователя, но это не финал, а лишь новый шаг на долгом пути от первичных экспериментальных данных к ответу на вопрос, поставленный природе. Далее уравнения нужно решать.. Иными словами, происходит важнейший процесс перехода от формальной (функциональной) зависимости к содержательному описанию изучаемого явления. Однако уравнение и его решение - еще не окончательный итог поисков. В уравнении речь идет о функциональной зависимости, отвечающей на вопрос «как?», а не о причинной зависимости, отвечающей на вопрос «почему?» («с помощью какого механизма?»). Достигнув определенного уровня понимания исследуемого явления, физик делает следующий шаг - пытается построить его модель.
Моделирование – метод научного познания, основанный на изучении каких-либо объектов посредством их моделей. Появление этого метода вызвано тем, что иногда изучаемый объект или явление оказываются недоступными для прямого вмешательства познающего субъекта или такое вмешательство по ряду причин является нецелесообразным. Моделирование предполагает перенос исследовательской деятельности на другой объект, выступающий в роли заместителя интересующего нас объекта или явления. Объект-заместитель называют моделью, а объект исследования - оригиналом, или прототипом. Модель в физике – упрощённая версия физической системы (процесса), сохраняющая её (его) главные черты. При этом модель выступает как такой заместитель прототипа, который позволяет получить о последнем определенное знание. Любые изменения в природе подчиняются определенным законам. Движение тел описывается законами механики, распространения света, оптики и т.д. Различие законов природы и, например, законов, определяющих жизнь общества, состоит, прежде всего, в том, что законы природы не изобретаются людьми, а открываются в процессе исследования окружающего мира. Если «общественные» законы могут быть нарушены или отменены, то законы природы (физические законы) нарушить или отменить не может никто!
По мере накопления экспериментальных данных постепенно вырисовывалась и складывалась величественная и сложная картина окружающего нас мира и Вселенной в целом. Научные поиски и исследования, проведенные на протяжении многих веков, позволили И.Ньютону (1643- 1727) открыть и сформулировать фундаментальные законы механики — науки о механическом движении материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними. В то время законы Ньютона казались настолько всеобъемлющими, что легли в основу построения механической картины мира, согласно которой все тела должны состоять из абсолютно твердых частиц, находящихся в непрерывном движении. Взаимодействие между телами осуществляется с помощью сил тяготения (гравитационных сил). Все многообразие окружающего мира, по Ньютону, заключалось в различии движения частиц. Механическая картина мира господствовала до тех пор, пока Дж. Максвеллом (1873г) не были сформулированы уравнения, описывающие основные закономерности электромагнитных явлений. Создание специальной теории относительности – нового учения о пространстве и времени – позволило полностью обосновать электромагнитную теорию Максвелла. В состав всех без исключения атомов входят электрически заряженные частицы. С помощью электромагнитной теории можно объяснить природу сил, действующих внутри атомов, молекул и макроскопических тел. Это, положение и легло в основу создания электромагнитной картины мира, согласно которой все исходящие в окружающем нас мире явления пытались объяснить с помощью вагонов электродинамики. Однако объяснить строение и движение материи только электромагнитными взаимодействиями не удалось. Дальнейшее развитие физики показало, что кроме гравитационного и электромагнитного существуют и другие типы взаимодействия. В квантовой механике используется понятие дуализма: движущаяся материя является одновременно и веществом и полем, т.е. обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. В классической же физике материя всегда либо совокупность частиц, либо поток волн. Развитие ядерной физики, открытие элементарных частиц, исследования их свойств и взаимопревращений привели к установлению еще двух типов взаимодействий, названных сильными и слабыми. Таким образом, современная физическая картина мира предполагает четыре типа взаимодействия: сильное (ядерное), электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Слабое взаимодействие проявляется в основном при распаде элементарных частиц. Таким образом, учение о строении материи в настоящее время является атомистическим, квантовым, релятивистским, в нем применяются статистические представления. В квантовой механике используется понятие дуализма: движущаяся материя является одновременно и веществом и полем, т.е. обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. В классической же физике материя всегда либо совокупность частиц, либо поток волн. Развитие ядерной физики, открытие элементарных частиц, исследования их свойств и взаимопревращений привели к установлению еще двух типов взаимодействий, названных сильными и слабыми. Таким образом, современная физическая картина мира предполагает четыре типа взаимодействия: сильное (ядерное), электромагнитное, слабое и гравитационное. Сильное взаимодействие обеспечивает связь нуклонов в ядре. Слабое взаимодействие проявляется в основном при распаде элементарных частиц. Таким образом, учение о строении материи в настоящее время является атомистическим, квантовым, релятивистским, в нем применяются статистические представления.
Лабораторные работы/ Практические занятия–не предусмотрено.
Задания для самостоятельного выполнения:
1. Проработка конспекта лекции
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос.
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Какая наука называется физикой? В чем состоит естественнонаучный метод познания?Чем эксперимент отличается от наблюдения?
2. Что содержит научная теория? Что называется постулатом, физическим законом, научной гипотезой? Чем постулат отличается от научной гипотезы?
3. Что собой представляет моделирование?
4. Перечислите основные элементы научной картины мира.
Раздел 1.МЕХАНИКА
Тема 1.1.Кинематика
Основные понятия и термины по теме: механика, кинематика, динамика, системы отсчёта, перемещение, пройденный путь, траектория, скорость, ускорение. План изучения темы:
1. Относительность механического движения. Системы отсчета.
2. Характеристики механического движения: перемещение, скорость, ускорение.
3. Виды движения (равномерное, равноускоренное) и их графическое описание.
4. Движение по окружности с постоянной по модулю скоростью
Краткое изложение теоретических вопросов:
Механика – наука о движении тел и происходящих при этом взаимодействиях между ними. Механику можно разделить на: кинематику, динамику, законы сохранения, колебания и волны. По характеру решаемых задач механику делят на кинематику и динамику. Кинематика – это раздел механики, изучающий способы описания движений и связь между величинами, характеризующими эти движения. Задача: дать математическое описание того, как движутся тела, без выяснения причин, почему они так движутся.
Динамика – это раздел механики, рассматривающий взаимодействия тел, которые являются причиной изменения движения этих тел, т.е. изменения их скоростей. Задача: объяснить, почему тела движутся именно так, а не иначе.
Материя находится в постоянном движении. Описать движение тела – это значит определить его положение в любой момент времени. Например, описать движение автомобиля на шоссе – значит необходимо выбрать начало отсчёта расстояний. Указать положение автомобиля на шоссе – значит указать его расстояние от точки, принимаемой за начало отсчёта расстояний. Такую точку называют телом отсчёта.
Механическое движение – это изменение пространственного положения тела относительно других тел с течением времени. Механическое движение относительно, т.е. различно в разных системах координат. Например, ребёнок, впервые попавший на берег реки во время ледохода, спросил: «На чём это мы едем?». Очевидно, что ребёнок «выбрал» в качестве тела отсчёта плывущую льдину. Находясь в покое относительно берега ребёнок двигался вместе с берегом относительно «выбранной» им системы отсчёта – льдины. Тело отсчёта – произвольно выбранное тело, относительно которого определяется положение движущейся материальной точки (тела).С телом отсчёта обычно связывают систему координат. С помощью системы координат определяют положение тела. Т.к. движение происходит во времени для описания движения необходимы часы. Всё это вместе составляют систему отсчёта. Система отсчёта – совокупность тела отсчёта, связанной с ним системы координат и часов. Ни одно явление, ни один процесс нельзя описать до тех пор, пока не выбрана та или иная система отсчёта.
Выбрать систему отсчёта – это значит:
Указать, какое тело является телом отсчета.
Выбрать точку, которая будет являться началом координат.
Указать направления координатных осей.
Выбрать событие, которое будет являться началом отсчёта времени.
Изучая механическое движение, в ряде случаев целесообразно не учитывать размеры и формы тела. Для простоты решения вводится модель тела, называемая материальной точкой. Материальная точка – тело, обладающее массой, размерами которого в данных условиях можно пренебречь. Действительно, если пассажира интересует, сколько времени самолёт будет лететь от Москвы до Новосибирска, то совершенно не нужно знать характер движения отдельных частей самолёта. Однако нельзя пренебречь размерами и формой самолёта при изучении таких явлений, как взлёт, посадка, сопротивление воздуха и т.п. Аналогично мы можем считать Землю и другие планеты материальными точками, если нас интересует характер их движения вокруг Солнца. Но если нужно выяснить причины смены дня и ночи или времён года, то ту же Землю уже нельзя считать точкой, а следует учесть её размеры, вращение вокруг своей оси, наклон этой оси к плоскости орбиты и т.п. Таким образом, одно и то же тело в одних задачах можно рассматривать как материальную точку, а в других так поступать нельзя. Материальная точка – простейшая физическая модель. Изучить движение тела – значит узнать, как изменяется его положение с течением времени. Если это известно, то можно вычислить положение тела в любой момент времени. В этом и состоит основная задача механики – определить положение тела в любой момент времени. Для того чтобы решить основную задачу механики, нужно кратко и точно указать, как движется тело, как его положение изменяется с течением времени. Другими словами, надо найти математическое описание движения, установить связь между величинами, характеризующими движение. Эта задача имеет смысл лишь в том случае, если движущаяся частица в каждый момент времени имеет определённые координаты. Но это приемлемо только для макромира, в микромире это утверждение не справедливо.
2. Очень важной характеристикой при описании движения тела является траектория. Траектория – воображаемая линия, соединяющая положения материальной точки (тела) в ближайшие последовательные моменты времени. Возможно и непосредственные наблюдения траектории: искры, летящие при сварке, след в небе от выхлопных газов ракеты или самолёта, линия, рисуемая мелом на доске или ручкой в тетради, лыжный след. Также если поджечь конец прутика и вращать его в воздухе, то можно отчётливо увидеть (особенно в темноте) траекторию движения обуглившегося конца прутика. Форма траектории зависит от выбора системы отсчёта. Действительно, пусть, например, падает яблоко сверху вниз в вагоне, который движется относительно Земли. Траектория этого тела относительно вагона – прямая линия, относительно Земли – кривая (при отсутствии сопротивления воздуха парабола). Тоже самое, можно сказать о траектории, которую описывает какая-либо точка пропеллера движущегося самолёта. В системе отсчёта, связанной с самолётом, эта точка движется по окружности; в системе же, связанной с Землёй, она движется по винтовой линии. Таким образом, форма траектории относительна. Положение материальной точки в любой момент времени удобно определять с помощью радиус-вектора. Радиус-вектор – вектор, соединяющий начало отсчёта с положением точки в произвольный момент времени.
При движении точки конец радиус-вектора описывает Траекторию движения. На рис. линия АВ изображает участок r0rтраектории движения точки при изменении её радиуса-вектора rот значения r0 в начальный момент времени t0 до значения r в момент времени t. Перемещение материальной точки за Yпромежуток времени t=t-t0– вектор, равный разности радиусов-векторов, характеризующих конечное начальное положения движущейся точки:. Перемещение(s) –вектор, направленный из начального в конечное положение движущейся точки, , мы можем записать два уравнения в координатной форме: -для проекции на ось ОХ, - для проекции на ось ОY. Если учесть, что , то эти уравнения можно переписать так: [s]=1м. Расстояние, на которое смещается движущая точка от начального положения в конечное, определяет положительная скалярная величина – путь. Путь – длина участка траектории, пройденного материальной точкой за данный промежуток времени. [l]=1м. Скорость является пространственно-временной характеристикой движения тела. Если, например, автомобиль проехал путь 500м за 20с, то можно предположить, что за секунду автомобиль проезжал 25м. Однако реально в течение первых пяти секунд он мог двигаться медленно, следующие 8с стоять, а последние 7с двигаться очень быстро. Поэтому путь, проходимый телом в среднем за секунду, характеризует среднюю скорость.
Средняя скорость– скалярная величина, равная отношению пути к промежутку времени, затраченному на его прохождение: Средняя скорость, как и любая средняя величина, является достаточно приблизительной характеристикой движения. Например, водитель, двигаясь на автомобиле, не раз посмотрит на спидометр, показывающий скорость движения в данный момент времени (в данное мгновение) - мгновенную скорость. Чем меньше интервал времени, тем меньше за это время успевает измениться скорость, тем точнее её можно определить, момент времени. Мгновенная скорость - скорость движения тела в данный момент времени, или за бесконечно малый интервал времени. Мгновенная скорость тела направлена по касательной к траектории в сторону его движения. Физический смысл: модуль мгновенной скорости численно равен расстоянию, которое может пройти тело за единицу времени, продолжая двигаться так же, как оно двигалось в данный момент времени. Скорость–векторная величина, равная отношению перемещения тела к промежутку времени, за который это перемещение произошло.
Вычислим относительную скорость двух тел:
При движении тел в одном направлении модуль относительной скорости равен разности скоростей.
При встречном движении тела сближаются с относительной скоростью, равной сумме их скоростей, поэтому встречное столкновение тел очень опасно. Тело может на всём участке пути двигаться с одинаковой скоростью, она постоянно изменяется. Изменение скорости характеризует ускорение. Ускорение – векторная физическая величина, равная отношению изменения скорости материальной точки прошедшего за очень малый промежуток времени, к значению этого промежутка .
По форме траектории механическое движение делится на два вида: криволинейное и прямолинейное. Криволинейным называется движение, траекторией которого является кривая линия. Прямолинейным называется движение, траекторией которого является прямая линия. Путь равен модулю вектора перемещения только при прямолинейном движении в одном направлении. Если направление прямолинейного движения изменяется, то путь превосходит модуль вектора перемещения. Например, автобус, движущийся из пункта А в пункт В, а затем возвращается обратно в А, проходит путь 2l. При этом перемещение его относительно начальной точки равно 0. При криволинейном движении путь больше перемещения, т.к. длина дуги всегда больше перемещения. В зависимости от значения ускорения различают следующие виды движения:
Механическое движение
Ускоренное
Равномерное
Движение с переменным ускорением (неравномерное)
Движение с постоянным ускорением (равнопеременное)
Равноускоренное
Равнозамедленное
Для получения уравнения равномерного прямолинейного движения точки воспользуемся определением скорости. Пусть радиус-вектор r0 задает положение точки в начальный момент времени t0. А радиус-вектор r - в момент времени t. Тогда Δt=t-t0. ∆r=r-r0, и выражение для скорости принимает вид v=r-r0t-t0. Если принять t0=0, то v=r-r0t. Отсюда r=r0+v∙t (1) – уравнение равномерного прямолинейного движения точки, записанное в векторной форме. Оно позволяет найти радиус-вектор точки при этом движении в любой момент времени, если известны скорость точки и радиус-вектор, задающий её положение в начальный момент времени. Можно записать эквивалентные уравнения в проекциях на оси координат: x=x0+vx∙t, y=y0+vy∙t, z=z0+vz∙t–уравнения равномерного прямолинейного движения точки, записанные в координатной форме. Мы будем использовать уравнение, записанное в проекция на ось ОХ, которое позволяет найти кооординату х тела при этом движении в любой момент времени, если известны проекция его скорости на ось ОХ и его начальная координата х0. Пройденный путьs равен модулю изменения координаты: s=x2-x1.
Путь можно также вычислить, зная модуль скорости v=vx:
s=vx∙t=v∙t. По данному уравнению можно построить графики скорости v=vtи координатыx=xt.
Рассмотрим уравнения, которые позволяют рассчитать для ускоренного движения положение точки в любой момент времени. Пусть движение с постоянным ускорением совершается в одной плоскости ХОY. Тогда скорость в данный момент времени определяется: . Эта формула позволяет определить мгновенную скорость тела в любой момент времени t. В координатном представлении это выражение распадается на два уравнения для проекций на оси ОХ и OY: . Если тело движется по прямой линии, то, направив вдоль этой линии координатную ось ОХ, мы сможем ограничиться рассмотрением лишь одного из этих уравнений — для проекции скорости vx.Зависимость vx от времениt является линейной. Поэтому на графике скорости эта зависимость представится в виде прямой линии. Эта линия при возрастании скорости или убывании может быть наклонена либо вверх, либо вниз (рис.). И в том и в другом случае проекция перемещения sxнаходится как площадь фигуры под графиком зависимости vx(t). Этой фигурой в данном случае является трапеция. Площадь трапеции, как известно из геометрии, равна произведению полусуммы основания т.е. . Чтобы получить окончательную формулу для перемещения, подставим в последнее равенство выражение скорости. Получаем: .
-165100156210Полученная формула позволяет определить перемещение тела, совершенное за любое время t. В проекциях на ось ОХ уравнения имеют вид:, - уравнения равноускоренного движения. Равноускоренное прямолинейное движение – это прямолинейное движение, при котором ускорение параллельно и сонаправлено вектору скорости и постоянно по модулю., - уравнения равнозамедленного движения. Равнозамедленное прямолинейное движение - это прямолинейное движение, при котором ускорение параллельно и противоположно направлено вектору скорости и постоянно по модулю. Изменение координаты y можно найти таким же способом, и оно имеет аналогичный вид: y=y0+v0y±ay∙t22. Эти формулы применимы для описания как прямолинейного, так и криволинейного движения точки. Важно, чтобы ускорение было постоянным. При движении в плоскости по двум уравнениям соответствует одно векторное уравнение:
r=r0+v0∙t+a∙t22.
6286562738052952651694180В окружающей жизни и технике очень распространены криволинейные движения. Поезд на закруглении пути, автомашина на повороте совершают криволинейное движение. В прямолинейном движении вектор скорости совпадает с направлением движения. В криволинейном движении в каждой точки траектории этого движения скорость направлена по касательной к этой траектории. Из этого следует, что направление скорости изменяется в каждой точки траектории или, иначе, говоря, в каждый момент времени. Если тело в каждой точки траектории движется неравномерно, то скорость будет изменяться не только по направлению, но и по величине. Быстроту изменения скорости характеризует ускорение. Среди различных видов криволинейного движения особый интерес представляет равномерное движение по окружности. Это самый простой вид криволинейного движения. Вместе с тем любое сложное движение тела на достаточно малом участке его траектории можно приближённо рассматривать как равномерное движение по окружности. При равномерном движении по окружности скорость меняется лишь по направлению, модуль же ее остается неизменным. Именно поэтому такое движение и называют равномерным. Но это вовсе не означает, что ускорение при этом равно нулю. Равномерное движение по окружности происходит с ускорением, направленным в каждой точке этой окружности к ее центру и потому называемым центростремительным. Формула центростремительного ускорения является следующая: Кроме центростремительного ускорения, важнейшими характеристиками равномерного движения по окружности являются период и частота обращения. Период обращения - это время, за которое тело совершает один оборот. Обозначается период буквой Т и определяется по формуле: (1), где t — время обращения, п — число оборотов, совершенных за это время. Частота обращения — это величина, численно равная числу оборотов, совершенных за единицу времени. Обозначается частота греческой буквой ν (ню) и находится по формуле: (2). Измеряется частота в 1/с. Сравнивая формулы (1) и (2), можно заметить, что период и частота — величины взаимно обратные: , . Если тело, двигаясь по окружности со скоростью v, делает один оборот, то пройденный этим телом путь можно найти, умножив скорость vна время одного оборота: l=vT. С другой стороны, этот путь равен длине окружности 2πr. Поэтому . Выразив отсюда скорость движения и подставив полученное выражение в формулу , можно получить или, так как . . Эта формула показывает, что при неизменной частоте обращения центростремительное ускорение прямо пропорционально расстоянию от движущейся частицы до центра вращения.
Практические занятия:
Относительность механического движения. Зависимость траектории от выбора системы отсчета.
Виды механического движения, его характеристики.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач.
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Что называется механикой? Какие разделы она включает? В чём их отличие?
2. Что называется системой отсчёта? Что значит выбрать систему отсчёта? Какое тело называется телом отсчёта? Для чего необходимо выбрать систему координат?
3. Что называют механическим движением? Что означает относительность движения? Привести пример.
4. Что называют материальной точкой? Приведите пример.
5. Что такое вектор перемещения? Что он характеризует? Как обозначают малые перемещение?
6. Что такое траектория? Что означает, что траектория относительна? Существует ли понятие траектории для микрочастиц? Почему?
7. Что такое пройденный путь? Может ли пройденный путь совпадать с модулем вектора перемещения?
8. Что такое ускорение? Что показывает модуль ускорения?
9. Какие виды движения существуют? Дайте определение каждому виду.
10. Какие формулы описывают равномерное прямолинейное движение? Какие формулы описывают ускоренное движение?
Тема 1.2. Динамика.
Основные понятия и термины по теме: инерциальные системы отсчёта, сила, масса, сила всемирного тяготения, сила тяжести, вес тела, сила упругости, сила трения.
План изучения темы:
1. Взаимодействие тел. Принцип суперпозиции сил. Законы динамики Ньютона.
2. Силы в природе: упругость, трение, сила тяжести. Закон всемирного тяготения. Невесомость.
Краткое изложение теоретических вопросов:
4803775974725В природе существуют четыре типа взаимодействия: гравитационное (гравитационные силы), электромагнитное (электромагнитные силы), сильное (ядерные силы) и слабое. Гравитационные силы или силы всемирного тяготения, действуют между всеми телами – все тела притягиваются друг к другу. Но это притяжение существенно тогда когда хотя бы одно из взаимодействующих тел также велико как Земля или Луна. Иначе эти силы малы, что ими можно пренебречь. Электромагнитные силы действуют между частицами, имеющими электрические заряды. Сфера их действия разнообразна и обширна. В атомах, молекулах, твёрдых, жидких и газообразных телах, живых организмах именно электромагнитные силы являются главными. Область действия ядерных сил ограничена. Они заметны только внутри атомных ядер (на расстоянии ~10-13 см).уже на расстояниях ~10-11 см ( тысячу раз меньших размеров атома - 10-8 см) они не проявляются совсем. Слабые взаимодействия проявляются на еще меньших расстояниях, ~10-15см. Они вызывают взаимные превращения элементарных частиц, определяют радиоактивный распад ядер, реакции термоядерного синтеза. Ядерные силы – самые мощные в природе. В механике рассматриваются только гравитационные и электромагнитные силы. Воздействие одного тела на другое проявляется в изменении формы каждого из них (деформация) или характера движения, например, в изменении направления или модуля вектора скорости. После выключения двигателя автомобиль постепенно замедляет свое движение и останавливается. Основная причина изменения скорости движения автомобиля — взаимодействие его колес с дорожным покрытием. Неподвижно лежащий на земле мяч никогда сам собой не приходит в движение. Скорость мяча изменяется только в результате действия на него других тел, например ноги футболиста. Модули ускорений двух взаимодействующих тел могут быть различными, но их отношение оказывается постоянным при любых взаимодействиях:Постоянство отношения модулей ускорений двух тел при любых их взаимодействиях показывает, что тела обладают каким-то свойством, от которого зависит их ускорение. При взаимодействиях с другими телами. Ускорение тела равно отношению изменения его скорости к времени, за которое произошло это изменение:. Так как время действия тел друг на друга одинаково, изменение скорости больше у того тела, которое приобретает большее ускорение. Сила (F) – векторная величина, характеризующая взаимодействие тел.F=Н. Характеристики силы: величина (модуль), направление, точка приложения. Сила - физическая величина, следовательно, ее можно измерить. Для измерения силы служит прибор, который называется динамометром. F=F1+F2+…+Fn. Примеры: 1. F1=4Н; F2=3Н. Силы направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны. Найти равнодействующую.
F=F1-F2=4-3=1Н.
-1085851073152. F1=4Н; F2=3Н. Силы перпендикулярны друг другу. Найти равнодействующую.F=F12+F22=16+9=5Н.
Системы отсчета, относительно которых тело при отсутствии внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно, называют инерциальными системами отсчета. Явление сохранения скорости движения тела при отсутствии внешних воздействий называется инерцией.
1 закон Ньютона: Тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют силы или действие всех сил скомпенсировано.
1. Системы отсчета, в которых выполняется 1 закон Ньютона, называются инерциальными системами отсчета. Например: связанная с центром Земли (геоцентрическая); с центром Солнца (гелиоцентрическая).
2. Любая система отсчета покоящаяся или движущаяся равномерно и прямолинейно относительно инерциальной системы отсчета также является инерциальной.
3. Движение тела не поддерживаемое никаким воздействием называется движением по инерции. Первый закон Ньютона называют также законом инерции.
475424519818354. Способность тела двигаться по инерции называется инертностью. Чем большее время требуется телу для изменения скорости на заданную величину при данной силе, тем больше инертность тела. Количественной мерой инертности тела является масса тела. Масса (m)– скалярная величина, характеризующая инертность тел.m=кг. Чем большей массой обладает тело, тем меньшее ускорение оно получает при взаимодействии. Поэтому в физике принято, что отношение масс взаимодействующих тел равно обратному отношению модулей ускорений: .
2 закон Ньютона. Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на ускорение, сообщаемое этой силой.F=m∙a. Замечание: если на тело действует несколько сил, тоi=1NFi=m∙a. Особенности 2 закона Ньютона: верен для любых сил, сила – причина изменения скорости тела, определяет ускорение, вектор ускорения сонаправлен с вектором силы, если на тело действует несколько сил, то берётся равнодействующая, если равнодействующая равна нулю, то ускорение равно нулю (первый закон Ньютона), можно применять только по отношению к телам, скорость которых мала по сравнению со скоростью света.
3 закон Ньютона. Силы взаимодействия двух тел направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны и равны по величине.F1=- F2. Особенности 3 Закона Ньютона: силы всегда возникают только парами и при взаимодействии, только силы одно природы, не уравновешивают друг друга, закон верен для всех сил в природе. Силы, возникающие при взаимодействии двух тел, всегда имеют одну природу. Если, например, Земля притягивает Луну силой тяготения, то равная по модулю и противоположная по направлению сила, действующая со стороны Луны на Землю, также является силой тяготения.
В механике рассматриваются три вида сил: силы тяготения, силы упругости и силы трения.
183515621665Сила всемирного тяготения – сила, с которой все тела притягиваются друг к другу. Эта сила наиболее заметно проявляется при взаимодействии массивных тел (звезд, планет, их спутников). Или когда хотя бы одно из тел имеет большую массу – притяжение всех тел к Земле. Закон всемирного тяготения: все тела в природе притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс этих тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:
Где G = 6,67 • 10-11 Н м2/кг2 – гравитационная постоянная, численно равная силе гравитационного притяжения двух тел массой по 1 кг каждое, находящихся на расстоянии 1 м одно от другого; r – расстояние между центрами тел. Закон всемирного тяготения выполняется для материальных точек и сферических тел. А также, если расстояние между делами намного больше их размеров; при этом расстояние считается между центрами масс этих тел. Сила всемирного тяготения направлена по линии, соединяющей центры тел.
Многие явления в природе объясняются действием сил всемирного тяготения. Движение планет в Солнечной системе, движение искусственных спутников Земли, траектории полета баллистических ракет, движение тел вблизи поверхности Земли – все эти явления находят объяснение на основе закона всемирного тяготения и законов динамики. Одним из проявлений силы всемирного тяготения является сила тяжести. Сила тяжести – сила, с которой планета (например, Земля) притягивает к себе окружающие тела. Сила тяжести имеет гравитационную природу. Направление силы тяжести – вертикально вниз:
Если M – масса Земли, RЗ – ее радиус, m – масса данного тела, то сила тяжести равна
где g – ускорение свободного падения у поверхности Земли:
Сила тяжести направлена к центру Земли. В отсутствие других сил тело свободно падает на Землю с ускорением свободного падения. Среднее значение ускорения свободного падения для различных точек поверхности Земли равно 9,81 м/с2. Зная ускорение свободного падения и радиус Земли (RЗ = 6,38·106 м), можно вычислить массу Земли M:
4755515246380 Силу тяжести, с которой тела притягиваются к Земле, нужно отличать от веса тела. Понятие веса широко используется в повседневной жизни. Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле действует на опору или подвес. При этом предполагается, что тело неподвижно относительно опоры или подвеса. Относится к силам электромагнитной природы. Измеряется динамометром. Единица измерения – ньютон (Н).Точка приложения веса – точка опоры или подвеса. В случае опоры весь действует на всю площадь соприкосновения опоры и тела. В задачах считаем размеры тела малыми. Вес имеет направление, противоположное силе реакции опоры или силе натяжения нити. Пусть тело лежит на неподвижном относительно Земли горизонтальном столе (рис). Систему отсчета, связанную с Землей, будем считать инерциальной. На тело действуют сила тяжести направленная вертикально вниз, и сила упругости с которой опора действует на тело. Силу называют силой нормального давления или силой реакции опоры. Силы, действующие на тело, уравновешивают друг друга: В соответствии с третьим законом Ньютона тело действует на опору с некоторой силой равной по модулю силе реакции опоры и направленной в противоположную сторону: По определению, сила и называется весом тела. Из приведенных выше соотношений видно, чтоНо эти силы приложены к разным телам! Если тело неподвижно висит на пружине, то роль силы реакции опоры (подвеса) играет упругая силы пружины. По растяжению пружины можно определить вес тела и равную ему силу притяжения тела Землей. Для определения веса тела можно использовать также рычажные весы, сравнивая вес данного тела с весом гирь на равноплечем рычаге. Рассмотрим теперь случай, когда тело лежит на опоре (или подвешено на пружине) в кабине лифта, движущейся с некоторым ускорением aотносительно Земли. Система отсчета, связанная с лифтом, не является инерциальной. На тело по-прежнему действуют сила тяжести, и сила реакции опоры, но теперь эти силы не уравновешивают друг друга. По второму закону Ньютона
Вес тела, по третьему закону Ньютона равен - N. Следовательно, вес тела в ускоренно движущемся лифте есть
Пусть вектор ускорения aнаправлен по вертикали (вниз или вверх). Если координатную ось OY направить вертикально вниз, то векторное уравнение для веса тела можно переписать в скалярной форме: P = m(g – a).(*)
В этой формуле величины P, g и a следует рассматривать как проекции векторов веса тела, ускорения свободного падения и ускорения лифта на ось OY. Так как эта ось направлена вертикально вниз, g = const > 0, а величины P и a могут быть как положительными, так и отрицательными. Пусть, для определенности, вектор ускорения aнаправлен вертикально вниз, тогда a > 0.
5155565488950Из формулы (*) видно, что если a < g, то вес тела P в ускоренно движущемся лифте меньше силы тяжести. Если a > g, то вес тела изменяет знак. Это означает, что тело прижимается не к полу, а к потолку кабины лифта («отрицательный» вес). Наконец, если a = g, то P = 0. Тело свободно падает на Землю вместе с кабиной. Такое состояние называется невесомостью. Оно возникает, например, в кабине космического корабля при его движении по орбите с выключенными реактивными двигателями. Если вектор ускорения направлен вертикально вверх (рис), то a < 0 и, следовательно, вес тела всегда будет превышать по модулю силу тяжести. Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой. Действие перегрузки испытывают космонавты, как при взлете космической ракеты, так и на участке торможения при входе корабля в плотные слои атмосферы. Большие перегрузки испытывают летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, особенно на сверхзвуковых самолетах.
Сила упругости – сила, которая возникает при деформациях тел, как ответная реакция на внешнее воздействие. Сила упругости возникает из-за притяжения или отталкивания молекул и атомов, и имеет электромагнитную природу. Деформация – изменение формы или объема тела.
Виды деформаций: растяжение; сжатие; изгиб (комбинированный случай одновременного сжатия и растяжения); сдвиг; кручение. Упругие деформации исчезают после снятия нагрузки. Т.е. тело – например, пружина – принимает прежние форму и размер (длину). В задачах не обязательно фигурирует "пружина", может быть трос, резинка и любое другое упругое тело. Пластические деформации остаются после снятия нагрузки, с ними на экзамене вы не встретитесь.
Закон Гука: модуль силы упругости, возникающей при деформации тела, пропорционален его удлинению
где k – жесткость тела, зависящая от его размеров, формы и материала. Единица измерения – ньютон на метр (Н/м). Деформация или абсолютное удлинение тела х (м).Закон Гука выполняется только для упругих деформаций. Часто в задачах величина деформации – несколько сантиметров. Сразу переведите в метры! Чтобы размерность соответствовала коэффициенту. Сила упругости (Fyпp) направлена противоположно перемещению частиц при деформации. Упругую силуN, действующую на тело со стороны опоры (или подвеса), называют силой реакции опоры. Сила реакции опоры всегда перпендикулярна опоре. Поэтому ее часто называют силой нормального давления. Если тело лежит на горизонтальном неподвижном столе, сила реакции опоры направлена вертикально вверх и уравновешивает силу тяжести: N=-m∙g. Сила натяжения нити (T) всегда направлена вдоль оси подвеса. В том числе, если нить, веревка, канат перекинуты через блок, под любым углом: направление силы при этом меняется, величина остается прежней. (Трение в блоке не учитывается.)
Отношение ε = x / l называется относительной деформацией, а отношение σ = F / S = –Fупр / S, где S – площадь поперечного сечения деформированного тела, называется напряжением. Тогда закон Гука можно сформулировать так: относительная деформация ε пропорциональна напряжению σ:
Коэффициент E в этой формуле называется модулем Юнга. Модуль Юнга зависит только от свойств материала и не зависит от размеров и формы тела. Для различных материалов модуль Юнга меняется в широких пределах. Для стали, например, E ≈ 2·1011 Н/м2, а для резины E ≈ 2·106 Н/м2, то есть на пять порядков меньше.
39935153435350Трение – один из видов взаимодействия тел. Оно возникает при соприкосновении двух тел. Трение, как и все другие виды взаимодействия, подчиняется третьему закону Ньютона: если на одно из тел действует сила трения, то такая же по модулю, но направленная в противоположную сторону сила действует и на второе тело. Силы трения, как и упругие силы, имеют электромагнитную природу. Они возникают вследствие взаимодействия между атомами и молекулами соприкасающихся тел. Сила трения возникает при движении тел или при попытке сдвинуть их с места. Она действует на поверхности тел и затрудняет их перемещение относительно друг друга. Трение бывает сухое и жидкое. Сухое делится на три вида: трение покоя, трение скольжения и трение качения. Силами сухого трения называют силы, возникающие при соприкосновении двух твердых тел при отсутствии между ними жидкой или газообразной прослойки. Трение скольжения возникает при скольжении одного тела по поверхности другого. Направление трения скольжения противоположно скорости движения. Способы уменьшения трения: выравнивание поверхностей; смазка; замена на трение качения. Если в задаче сказано, что движение происходит по гладкой поверхности, то силу трения учитывать не надо. Опыт показывает, что сила трения скольжения пропорциональна силе нормального давления тела на опору, а следовательно, и силе реакции опоры: Fтр = (Fтр)max = μN. Коэффициент пропорциональности μ называют коэффициентом трения скольжения. Коэффициент трения μ – величина безразмерная. Обычно коэффициент трения меньше единицы. Он зависит от материалов соприкасающихся тел и от качества обработки поверхностей. Трение покоя возникает при попытке сдвинуть предмет с места. Трение покоя равно по величине и противоположно по направлению приложенной силе. Силы трения возникают и при качении тела. Однако силы трения качения обычно достаточно малы. При решении простых задач этими силами пренебрегают.
Жидкое трение(сила сопротивления) возникает при движении в жидкостях и газах. Направление жидкого трения противоположно скорости движения. Особенности: жидкое трение зависит от формы тел и от скорости тела. Поэтому формулы для него сложные и в школьном курсе не рассматриваются. При движении твердого тела в жидкости или газе возникает сила вязкого трения. Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения. Она также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. При вязком трении нет трения покоя. Сила вязкого трения сильно зависит от скорости тела.
Практические занятия:
Сложение сил. Первый и третий законы Ньютона. Равенство и противоположность направления сил действия и противодействия.
Второй закон Ньютона. Зависимость ускорения тела от его массы и силы, действующей на тело.
Движение тела под действием нескольких сил.
Зависимость силы упругости от деформации. Силы трения. Невесомость.
Лабораторные работы:
Исследование движения тела под действием постоянной силы.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради
3. Подготовка отчета лабораторной работы
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач, выполнение и сдача лабораторной работы.
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Какие системы отсчёта являются инерциальными, а какие – неинерциальные? Приведите примеры таких систем. Может ли считать инерциальными системами отсчета, неподвижно связанные Землёй?
2. Сформулируйте первый закон Ньютона. В чем состоит явление инерции?
3. Как направлено ускорение тела, вызванное действующей на него силой. Верно ли утверждение – силы есть, а ускорения нет. Если на тело действует несколько сил, как определяется равнодействующая сил? Запишите второй закон Ньютона.
4. Сформулируйте третий закон Ньютона. Как направлены силы взаимодействия? Выполняется ли третий закон Ньютона при взаимодействии на расстоянии или только путём непосредственного контакта?
5. Что называется силой всемирного тяготения? сформулируйте закон всемирного тяготения. В чем заключается физический смысл гравитационной постоянной? Почему не приближаются друг к другу предметы в комнате, несмотря на их гравитационное притяжение?
6. Какую силу называют силой тяжести? По какой формуле определяют модуль силы тяжести? Зависит ли ускорение свободного падения от его массы? От чего зависит ускорение свободного падения?
7. Что называют весом тела? В чем различие между силой тяжести и весом тела, действующим на тело? В каком случае сила тяжести и вес тела равны?
8. Как изменяется вес тела при его ускоренном движении? Когда наступает невесомость? В чем она проявляется? Как изменится вес космонавта при старте ракеты и при торможении приземляющегося корабля?
9. При каком условии появляются силы упругости? Каким образом возникают деформации тел? Почему безопасен прыжок акробата на сетку батута с большой высоты? Дайте определения силы реакции опоры и силы натяжения? Сформулируйте закон Гука. Что означает знак «-» в формуле?
10. Какое фундаментальное взаимодействие определяет силу трения? Сформулируйте определение силы трения, перечислите виды трения. Дайте формулировку каждому из них.
Тема 1.3. Законы сохранения в механике.
Основные понятия и термины по теме: импульс силы, импульс тела, замкнутая система, реактивное движение, энергия, кинетическая энергия, потенциальные силы, потенциальная энергия, работа, мощность. План изучения темы:
1. Закон сохранения импульса и реактивное движение.
2. Работа и мощность.
3. Закон сохранения механической энергии.
Краткое изложение теоретических вопросов:
При движении материальной точки вдоль оси Х действующая на неё сила F как от координаты тела х, так и от времени t. Это означает, что сила является функцией координаты и времени: F=Fx,t. Рассмотрим, как на движение тела влияет длительность действия силы. Для этого воспользуемся вторым законом Ньютона: F=m∙a (1). Если на материальную точку действует постоянная сила, то постоянным будет и ускорение a=v-v0∆t (2), где v0иv – начальная и конечная скорости. Подставим в формулу (1) формулу (2):
F=m∙v-v0∆tилиF∙∆t=m∙v-m∙v0(3).
Произведение F∙∆t называется импульсом силы и является временной характеристикой действия силы. Импульс силы I– физическая величина, являющаяся временной характеристикой действия силы и равная произведению силы на длительность её действия. I=Н∙с (ньютон-секунда). Импульс тела – векторная физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость и имеющая направление скорости: p=m∙v. p=кг∙мс (килограмм-метр в секунду). Обозначим через p0=m∙v0импульс тела в начальный момент времени, а через p=m∙v – его импульс в конечный момент времени. Тогда p-p0=∆p есть изменение импульса тела за время ∆t. Теперь уравнение (3) можно записать: ∆p=F∙∆t (4). Так как ∆t>0, направления векторов ∆p и F совпадают. Согласно формуле (4): изменение импульса тела (материальной точки) пропорционально приложенной к нему силе и имеет такое же направление, как и сила. Именно так и был впервые сформулирован второй закон Ньютона в импульсной форме. Уравнение (4) показывает, что одинаковые изменения импульса могут быть получены в результате действия большой силы в течение малого интервала времени или малой силы за большой промежуток времени. Замкнутая система – система тел, для которой равнодействующая внешних сил равна нулю. Силы взаимодействия между телами системы называются внутренними силами. При столкновении тел 46158152240915сила F12, которая действует на первый шар со стороны второго (рис), по третьему закону Ньютона равна по модулю и противоположна по направлению силе F21, действующей на второй шар со стороны первого: F12=-F21. Согласно второму закону Ньютона F12=m1∙a1, F21=m2∙a2. Обозначим скорость шаров после столкновения v1 и v2, длительность столкновения ∆t. Ускорения шаровa1=∆v1∆t=v1-v10∆t, a2=∆v2∆t=v2-v20∆t.
Объединяя эти выражения, находим m1∙v1-v10∆t=- m2∙v2-v20∆t . сократив обе части 4уравнения на ∆t и перегруппировав слагаемые в обеих частях, получим закон сохранения импульса:m1∙v10+m2∙v20 = m1∙v1+m2∙v2.В левой части равенства содержится суммарный импульс системы в начальный момент времени, в правой – сумма импульсов в произвольный момент времени, приобретённых в резуьтате взаимодействия (столкновения). Это означает, что суммарный импульс сохраняется. Закон сохранения импульса тела формулируется: суммарный импульс замкнутой системы тел остаётся постоянным при любым взаимодействиях тел системы между собой. Одним из примеров проявления закона сохранения импульса является реактивное движение – дви жение, возникающее при отделении от тела какой-либо его части с некоторой скоростью. Например, отделение снаряда от ствола орудия, отдачу испытывают пожарные, направляя водяную струю на горящий объект. Именно благодаря закону сохранения импульса перемещается водный транспорт. В природе встречаются живые организмы, которые перемещаются за счёт реактивной отдачи, например, медузы. Движение ракеты – это тоже пример реактивного движения. Отделяющейся частью тела (ракеты) при таком движении является струя горячих газов, образующихся при сгорании топлива.
489521515240Если на тело действует постоянная сила F и тело совершает в направлении действия силы перемещение s, то говорят, что сила совершает работу А, равную произведению модулей векторов силы и перемещения на косинус угла между этими векторами (рис). A=Fscosα. A=Дж (джоуль). Работа равна 1Дж, если она совершена силой 1Н на пути 1м: 1Дж=1Н∙1м. Работа – величина скалярная, т.е. не имеет направления. Если на тело действует несколько сил, то подF подразумевается результирующая (равнодействующая) всех сил. Если сумма всех сил равна 0, значит, равна 0 и суммарная работа всех сил, хотя каждая из действующих сил совершает работу, если тело перемещается в пространстве. В этом случае работа одних сил положительна, а других отрицательна. Положительной считается работа сил, которые сонаправлены с перемещением, отрицательной, если работа сил противоположна перемещению. Например, при подъёме груза работа силы натяжения положительна, а работа силы тяжести – отрицательна (рис 1). Если направление действия силы перпендикулярно перемещению, то и работа этой силы равна 0 (cos900=0). Например, не совершает работу сила, которая заставляет тело двигаться по окружности (рис 2).
Рис 1 Рис 2
Очень часто важно знать не только работу, но и время, в течение которого она произведена. Поэтому надо ввести ещё одну величину – мощность. Работа может быть совершена как за большой промежуток времени, так и за очень малый. На практике, однако, далеко не безразлично, быстро или медленно может быть произведена работа. Временем, в течение которого совершается работа, определяют производительность любого двигателя. Поэтому наряду с работой вводят величину, характеризующую быстроту, с которой она производится, - мощность. Мощность – физическая величина, характеризующая быстроту выполнения работы и равная отношению работы А к интервалу времени t, за который эта работа совершена: N=A∆t. Физический смысл мощности: мощность численно равна работе, совершенной в единицу времени. Подставляя в формулу мощности вместо работы её выражение, получим: N=F∙s∆t∙cosα=Fvcosα. N=Вт.
-1212852035175Если система тел может совершит работу, то говорят, что она обладает энергией. Совершение работы не происходит для системы бесследно. Например, часы с пружинным заводом. При заводе часов состояние системы (часового механизма) меняется так, что она приобретает способность совершать работу в течение длительного времени. Пружина поддерживает движение всех колес, стрелок и маятника, испытывающих сопротивление движению, вызванное трением. По мере хода часов способность пружины совершать работу постепенно утрачивается. Состояние пружины меняется. Подобным образом при совершении работы меняется состояние сжатого газа и скоростей движущихся тел. Энергия – скалярная физическая величина, характеризующая способность тела (или системы тел) совершать работу. Энергия измеряется в тех же единицах, что и работа (Дж). Совершая механическую работу, тело или система тел переходят из одного состояния в другое, в котором их энергия минимальна. Груз опускается, пружина распрямляется, движущееся тело останавливается. При совершении работы энергия постепенно расходуется. Для того, чтобы система опять приобрела способность совершать работу, надо изменить её состояние: увеличить скорости тел, поднять тела вверх или деформировать. Для этого внешние силы должны совершить над системой положительную работу. Итак, энергия в механике – величина, определяемая состоянием системы – положением тел и их скоростями; изменение энергии при переходе системы из одного состояния в другое равно работе внешних сил. Существует два вида механической энергии тела: кинетическая и потенциальная. Кинетической называют энергию, характеризующую движущееся тело и равную половине произведения массы тела на квадрат его скорости:
Eк=m∙v22. Теорема о кинетической энергии: изменение кинетической энергии тела (материальной точки) за некоторый промежуток времени равно работе, совершённой за то же время силой, действующей на тело: A=∆Eк=m∙v22-m∙v022. Если на тело действует несколько сил, то изменение его кинетической энергии равно сумме работ всех сил, действующих на тело. Кинетическая энергия тел зависит только от их масс и скоростей. Итак, движущееся тело обладает кинетической энергией. Эта энергия равна работе, которую нужно совершить, чтобы увеличить скорость от нуля до значения v. Потенциальная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием тел. Потенциальная энергия характеризует не любое взаимодействие тел, а лишь такое, которое описывается силами, не зависящими от скорости. Такими являются сила тяжести, сила упругости. Работа рассматриваемых сил не зависит от формы траектории, а определяется лишь её начальными и конечными точками. Силы, которые не зависят от скорости и работа которых на любой замкнутой траектории равна нулю, называют потенциальными силами. Физическую величину, характеризующую взаимодействие тел и равную произведению массы тела на ускорение свободного падения и высоту тела над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией взаимодействия тела и Земли Еп (от латинского слова «потенция» - положение, возможность): Eп=mgh. Физическую величину, характеризующую взаимодействие частей одного тела и равную половине произведения коэффициента упругости k тела на квадрат деформации l, называют потенциальной энергией упруго деформированного тела: Eп=k∙∆l22. В обоих случаях потенциальная энергия определяется расположением тел системы или частей одного тела относительно друг друга. Выразим работу консервативных сил через изменение потенциальной энергии: A=-∆Eп=-Еп2-Еп1. Изменение потенциальной энергии тела равно работе консервативной силы, взятой с обратным знаком. Отсюда следует потенциальная энергия – это физическая величина, зависящая от положения тел и изменение которой при переходе из начального состояния в конечное равно работе внутренних консервативных сил, взятой с противоположным знаком. Силы, работа которых на замкнутой траектории равна нулю, называются консервативными. Нулевой уровень потенциальной энергии – это уровень, которому соответствует такое состояние системы где ее потенциальная энергия равна нулю. Величину Е, равную кинетической и потенциальной энергии системы, называют механической энергиейЕ=Ек+Еп. Закон сохранения энергии: в изолированной системе, в которой действуют консервативные силы, механическая энергия сохраняется.Ек0+Еп0=Ек+Еп или m∙v022+mgh0=m∙v22+mgh.
Практические занятия:
Применение закона сохранения импульса тела.
Переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Работа и мощность.
Лабораторные работы:
Изучение закона сохранения импульса и реактивного движения.
Сохранение механической энергии при движении тела под действием сил тяжести и упругости.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради
3. Подготовка отчета лабораторной работы
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач, выполнение и сдача лабораторной работы.
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Сформулируйте закон сохранение импульса тела. Дайте определение импульса тела.
2. Что называется механической работой? Приведите примеры, когда совершается механическая энергия?
3. Что называется механической мощностью? В чём заключается её физический смысл? Как вычислить мощность двигателя автомобиля?
4. Сформулируйте закон сохранения энергии? Приведите примеры использования этого закона?
Тема 1.4. Механические колебания и волны. Звук и ультразвук.
Основные понятия и термины по теме: механические колебания, колебательная система, свободные и вынужденные колебания, амплитуда, период, частота, циклическая частота, фаза колебаний, резонанс, пружинный и математический маятник, волна, поперечная и продольная волна, акустический резонанс, ультра и инфразвук.План изучения темы:
Механические колебания. Амплитуда, период, частота, фаза колебаний.
Свободные и вынужденные колебания. Резонанс.
Пружинный и математический маятник.
Механические волны. Свойства механических волн. Длина волны. Звуковые волны.
Ультразвук и его использование в технике и медицине.
Краткое изложение теоретических вопросов:
В природе и технике часто встречаются движения тел с переменными ускорениями. Движение с переменным ускорением происходит под действием изменяющихся со временем сил. Примером такого движения являются механические колебания. Движения, которые точно или приблизительно повторяются через одинаковые промежутки времени, называются механическими колебаниями. Колебательное движение основано на следующих кинематических характеристиках колебаний. К таковым относятся:
Амплитуда колебаний — это максимальное расстояние, на которое удаляется колеблющееся тело от своего положения равновесия. Амплитуда свободных колебаний определяется начальными условиями, т. е. тем первоначальным отклонением или толчком, которым маятник или груз на пружине был приведен в движение;период колебания — это минимальный промежуток времени, по истечении которого система возвращается в прежнее состояние, т. е. когда колеблющееся тело оказывается в том же положении и с прежним значением вектора скорости; иначе говоря, период колебания — это время, за которое совершается одно полное колебание;
частота колебаний — это число колебаний, совершаемых за 1 с, измеряется в герцах (Гц). Если частота равна 1 Гц, то, значит, за каждую секунду совершается лишь одно колебание, если 50 Гц, то за каждую секунду совершается 50 колебаний, и т.д.;
циклическая частота— это величина, в 2π раз большая частоты, т.е. ω=2πν.
Физический смысл циклической частоты заключается в том, что она показывает, какое число колебаний совершается за 2 π секунд, т. е. приблизительно за 6,28 с. Измеряется циклическая частота в рад/с или с-1.
Для периода Т, частоты ν и циклической частоты ωсправедливы формулы: , где п— число колебаний, at— время, за которое произошло п колебаний.
Колебания, при которых координата колеблющегося тела меняется с течением времени по закону синуса (или косинуса), называются гармоническими.
Колебания тел происходят только в результате их взаимодействия с другими телами. Тела, взаимодействие между которыми приводит к возникновению колебаний, составляют колебательную систему. Силы, действующие внутри колебательной системы, называют внутренними силами. Колебания под действием внутренних сил в колебательной системе называются свободными колебаниями. Колебания гири на пружине являются примером свободных механических колебаний. Колебания груза на пружине, а также груза на нити (маятника) — типичные примеры свободных колебаний. Отличительной особенностью систем, в которых происходят свободные колебания, является наличие у них положения устойчивого равновесия. Именно около этих положений и совершаются свободные колебания. Колебания, возникающие под действием периодически изменяющийся внешней силы, называют вынужденными. Резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты изменения внешней силы, действующей на систему, с частотой свободных колебаний называется резонансом. Впервые явление резонанса было описано Галилеем. В современных условиях его можно наблюдать с помощью того же пружинного маятника, который был описан выше. В отличие от свободных колебаний, когда система получает энергию лишь один раз (при выведении системы из состояния равновесия), в случае вынужденных колебаний система поглощает эту энергию от источника внешней периодической силы непрерывно. Эта энергия восполняет потери, расходуемые на преодоление трения, и потому полная энергия колебательной системы по-прежнему остается неизменной. При резонансе амплитуда вынужденных колебаний, а вместе с ней и энергия колебательной системы максимальны, Это означает, что при v=v0 поглощение системой энергии от внешнего источника происходит наиболее интенсивно. Явление резкого увеличения поглощения энергии, наблюдающееся при совпадении частоты вынужденных колебаний с частотой свободных колебаний системы, называется резонансным поглощением энергии. Явление резонанса играет большую роль в природе, науке и технике. Большинство сооружений и машин, обладая определенной упругостью, способно совершать свободные колебания. Поэтому внешние периодические воздействия могут вызвать их резонанс. Явление резонанса при этом может явиться причиной катастроф.
Пружинный маятник – это колебательная система, представляющая собой совокупность некоторого тела и прикреплённой к нему пружины.
Условия существования свободных колебаний пружинного маятника:
силы трения, действующие на тело, пренебрежимо малы и потому их можно не учитывать;
деформации пружины в процессе колебаний тела невелики, так что можно их считать упругими и в соответствии с этим пользоваться законом Гука: .
По второму закону Ньютона: . Но силы реакции опоры и тяжести уравновешивают друг друга и в сумме дают нуль. Поэтому остаётся лишь сила упругости, и уравнение движения тела принимает вид: . Перепишем его в проекциях на горизонтальную ось ОХ. С учётом закона Гука получаем: , или (1). Это уравнение называют уравнением свободных колебаний пружинного маятника. Следует помнить, что оно правильно описывает рассматриваемые колебания лишь тогда, когда выполнены сформулированные выше упрощающие предположения.
Свободные колебания пружинного маятника имеют следующие причины:
1.Действие на тело силы упругости, пропорциональной смещению тела х от положения равновесия и направленной всегда к этому положению.
37465736602.Инертность колеблющегося тела, благодаря которой оно не останавливается в положении равновесия (когда сила упругости обращается в нуль), а продолжает двигаться в прежнем направлении.
Для нахождения периода свободных колебаний пружинного манишка воспользуемся формулой
(2)
Ускорение прямолинейного движения тела вдоль оси ОХ является первой производной проекции скорости тела на эту ось или второй производной координаты: , поставим в (1) формулы гармонического колебания: (3)
Формула (3) показывает, что частота свободных колебаний не зависит от начальных условий и полностью определяется собственными характеристиками самой колебательной системы — в данном случае жесткостью kи массой т.
Подставляя формулу (3) в формулу (2), можно найти:
(4)
Полученное выражение определяет период свободных колебаний пружинного маятника.
Математический маятник— это материальная точка, подвешенная на невесомой и нерастяжимой нити, находящейся в поле тяжести Земли. Математический маятник — это идеализированная модель, правильно описывающая реальный маятник лишь при определенных условиях. Реальный маятник можно считать математическим, если длина нити l много больше размеров подвешенного на ней тела, масса нити ничтожна мала по сравнению с массой тела, а деформации нити настолько малы, что ими вообще можно пренебречь.
Колебательную систему в данном случае образуют нить, присоединенное к ней тело и Земля, без которой эта система не могла бы служить маятником.
Условия существования свободных колебаний математического маятника:
силы трения, действующие на тело, пренебрежимо малы и потому их можно не учитывать;
малые колебания маятника с небольшим углом размаха.
По второму закону Ньютона произведение массы тела т на его ускорение а равно сумме всех сил, с которыми на него действуют окружающие тела по отдельности. Этих сил в данном случае две: сила натяжения нити и сила тяжести. Поэтому уравнение движения маятника принимает вид: . Перепишем это уравнение в проекциях на ось ОХ. Имеем: . Если ось ОХ провести через точку А, где находится в данный момент тело, по касательной к его траектории (рис.), то вектор Т будет этой оси перпендикулярен, и потому его проекция Тх окажется равной нулю. Проекция же силы тяжести будет отрицательна и равна mgsinα. Значение sinα можно найти из треугольника ОАО,76200457200 оно равно отношению противолежащего (по отношению к углу а) катета, т. е. х, к гипотенузе, т. е. ОС. Но при малых колебаниях ОС~l, где l — длина нити маятника. Поэтому и . Подставляя это значение в уравнение движения маятника, получаем: (5). Отсюда . Это уравнение называется уравнением свободных колебаний математического маятника. Если сравнить с уравнением свободных колебаний пружинного маятника, то между ними можно заметить много общего: и в том и в другом случае проекция ускорения тела ахпропорциональна координате тела, взятой с противоположным знаком. Если же в уравнении (5) коэффициент перед х обозначить через k: (6), то эти уравнения вообще совпадут.
Таким образом, свободные колебания любых систем во всех случаях описываются аналогичными уравнениями.
Причинами свободных колебаний математического маятника являются:
Действие на маятник силы натяжения и силы тяжести, препятствующей его смещению из положения равновесия и заставляющей его снова опускаться.
Инертность маятника, благодаря которой он, сохраняя свою скорость, не останавливается в положении равновесия, а проходит через него дальше.
Чтобы найти период свободных колебаний математического маятника, подставим выражение (6) в формулу (4). Получаем: . Период свободных колебаний математического маятника не зависит от его массы, а определяется лишь длиной нити и ускорением свободного падения в том месте, где находится маятник. Последнее обстоятельство позволяет с помощью изучения свободных колебаний маятника в различных местах земного шара определять для этих мест значения ускорения свободного падения. Такие измерения необходимы при гравиметрической разведке полезных ископаемых. Формула периода колебания математического маятника впервые была установлена знаменитым голландским ученым Христианом Гюйгенсом (1629—1695). Получив эту формулу, Гюйгенс тем самым доказал, что малые колебания маятника происходят с периодом, не зависящим от их амплитуды. Используя это свойство, называемое изохронностью маятника, Гюйгенс в 1657 г. сконструировал первые маятниковые часы.
В непрерывной среде, состоящей из взаимодействующих между собой частиц, колебания частиц в одном месте вызывают вынужденные колебания соседних частиц, те в свою очередь возбуждают колебания следующих за ними частиц и т. д. Процесс распространения механических колебаний в 55079900твердых, жидких и газообразных телах называется механической волной. Волны, в которых колебания происходят перпендикулярно направлению распространения волны, называются поперечными волнами. Волны, в которых колебания происходят вдоль направления распространения волны, называются продольными волнами. Примером продольных волн являются звуковые волны. Например, колебания ветвей камертона сопровождаются периодическими сжатиями и разрежениями воздуха вблизи него. Эти процессы сжатия и разрежения распространяются в воздухе во все стороны. Они и являются звуковыми волнами. Ощущение звука в наших органах слуха возникает при периодических изменениях давления воздуха. Слуховые ощущения, которые у нас вызывают различные звуки, во многом зависят от амплитуды и частоты звуковой волны. Амплитуда и частота являются физическими характеристиками звука. Этим физическим характеристикам соответствуют определённые физиологические характеристики, связанные с нашим субъективным восприятием звука. Такими физиологическими характеристиками являются громкость и высота звука. Громкость звука определяется его амплитудой. Звуковые волны с большой амплитудой изменения звукового давления воспринимаются человеческим ухом как громкие звуки, с малой амплитудой изменения звукового давления — как тихие звуки. Громкость зависит также от того, насколько чувствительно наше ухо к данному звуку. Наибольшей чувствительностью человеческое ухо обладает к звуковым волнам с частотой 1-5кГц. Высота звука определяется его частотой. Звуковые колебания высокой частотой называются звуками высокого тона, звуковые колебания низкой частоты называются звуками низкого тона. Так, например шмель машет в полёте своими крылышками с меньшей частотой, чем комар. Поэтому полёт шмеля сопровождается низким звуком (жужжанием), а полёт комара – высоким (писком). Звуковую волну определённой частоты иначе называют музыкальным тоном. Поэтому о высоте звука часто говорят как о высоте тона. Основной тон с «примесью» нескольких колебаний других частот образует музыкальный звук. При обычной речи в мужском голосе встречаются колебания с частотой от 100 до 7000 Гц, а в женском — от 200 до 9000 Гц. Наиболее высокочастотные колебания входят в состав звука согласной «с». Чтобы обеспечить понятность речи, достаточно воспроизвести область частот от 300 до 2000 Гц. Такую область частот обычно воспроизводит телефон. Особое физиологическое воздействие способны оказывать на человека звуки низкой частоты, приближающиеся к инфразвуку. Влияние этих звуков объясняется явлением резонанса. Внутренние органы нашего тела имеют частоту свободных колебаний, лежащую в области инфразвука. Поэтому звуковые волны близких к нему низких частот заставляют эти органы вибрировать, что при достаточно большой силе звука может привести даже к внутренним кровоизлияниям. Специальные опыты показали, что облучение людей достаточно интенсивным инфразвуком может вызвать потерю чувства равновесия, подташнивание, непроизвольные вращения глазных яблок и другие последствия. Резонансным влиянием на человеческий организм низкочастотных звуков объясняется и возбуждающее действие современной рок-музыки, насыщенной многократно усиленными низкими частотами барабанов, бас-гитар и т.д. Характер восприятия звука, его слышимость зависят и от планировки помещения, в котором слушается речь или музыка. Объясняется это тем, что в закрытых помещениях слушатель воспринимает, кроме прямого звука, еще и слитный ряд быстро следующих друг за другом его повторений, вызванных многократными отражениями звука от находящихся в помещении предметов, стен, потолка и пола. Увеличение длительности звука, вызванное его отражениями от различных препятствий, называется реверберацией. Реверберация велика в пустых помещениях, где она приводит к гулкости. И наоборот, помещения с мягкой обивкой стен, драпировками, шторами, мягкой мебелью, коврами, а также наполненные людьми хорошо поглощают звук, и потому реверберация в них незначительна. Отражением звука объясняется и эхо. Эхо — это звуковые волны, отраженные от какого-либо препятствия (зданий, холмов, леса и т. п.) и возвратившиеся снова к источнику. Если до нас доходят звуковые волны, последовательно отразившиеся от нескольких препятствий и разделенные интервалом времени t>50—60 мс, то возникает многократное эхо. Некоторые из таких эхо приобрели всемирную известность. Так, например, скалы, раскинутые в форме круга возле Адерсбаха в Чехословакии, в определенном месте троекратно повторяют 7 слогов. А в замке Вудсток в Англии эхо отчетливо повторяет 17 слогов. Звуковые волны, встречаясь с любым телом, вызывают вынужденные колебания. Если частота со6ственных свободных колебаний тела совпадает с частотой звуковой волны, то условия для передачи энергии от звуковой волны телу оказываются наилучшими, амплитуда вынужденных колебаний5105400914400при этом достигает максимального значения — наблюдается акустический резонанс. Акустическими резонаторами являются корпус гитары, корпус скрипки, трубы духовых инструментов. Скорость vраспространения колебаний в пространстве называется скоростью волны. Расстояние между ближайшими друг к другу точками, движущимися в любой момент времени с одинаковыми скоростями и ускорениями, называется длиной волны(рис). Длина волны обозначается греческой буквой λ(лямбда). . Скорость волны связана с частотой v колебаний выражением . При возникновении волн их частота определяется частотой колебаний источника колебаний, а скорость распространения зависит от свойств среды. Поэтому при распространении колебаний с одной и той же частотой длина волны в разных средах оказывается различной.
Органы слуха человека способны воспринимать звуки с частотой в пределах примерно от 20 Гц до 20000 Гц. Продольные волны в среде с частотой изменения давления менее 20 Гц называют инфразвуком, с частотой более 20000 Гц — ультразвуком. Ультразвук обладает главным образом локальным действием на организм, поскольку передается при непосредственном контакте с ультразвуковым инструментом, обрабатываемыми деталями или средами, где возбуждаются ультразвуковые колебания. Ультразвуковые колебания, генерируемые ультразвуком низкочастотным промышленным оборудованием, оказывают неблагоприятное влияние на организм человека. Длительное систематическое воздействие ультразвука, распространяющегося воздушным путем, вызывает изменения нервной, сердечнососудистой и эндокринной систем, слухового и вестибулярного анализаторов. Степень выраженности изменений зависит от интенсивности и длительности воздействия ультразвука и усиливается при наличии в спектре высокочастотного шума, при этом присоединяется выраженное снижение слуха. В случае продолжения контакта с ультразвуком указанные расстройства приобретают более стойкий характер. Характер изменений, возникающих в организме под воздействием ультразвука, зависит от дозы воздействия. Малые дозы - уровень звука 80-90 дБ - дают стимулирующий эффект - микромассаж, ускорение обменных процессов. Большие дозы - уровень звука 120 и более дБ - дают поражающий эффект. Исследования биологического действия инфразвука на организм показали, что при уровне от 110 до 150 дБ и более он может вызывать у людей неприятные субъективные ощущения и многочисленные реактивные изменения, к числу которых следует отнести изменения в центральной нервной, сердечнососудистой и дыхательной системах, вестибулярном анализаторе. Имеются данные о том, что инфразвук вызывает снижение слуха преимущественно на низких и средних частотах. Выраженность этих изменений зависит от уровня интенсивности инфразвука и длительности действия фактора.
Практические занятия:
Свободные и вынужденные колебания. Резонанс.
Образование и распространение волн. Частота колебаний и высота тона звука.
Лабораторные работы:
Изучение зависимости периода колебаний нитяного (или пружинного) маятника от длины нити (или массы груза).
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради
3. Подготовка отчета лабораторной работы
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач, выполнение и сдача лабораторной работы.
Вопросы для самоконтроля по теме:
Что называется колебательным движением? Механическими колебаниями? Отличительные признаки механических колебаний.
Какие колебания называются гармоническими колебаниями? Записать уравнение гармонических колебаний.
Условия существования механических колебаний. Дайте определения и запишите формулы для вычислений характеристик механических движений.
Что называется математическим маятником? Записать формулу периода колебаний математического маятника.
Что называется пружинным маятником? Записать формулу периода колебаний пружинного маятника.
Что называют механической волной? Перечислите виды механических волн. Дайте определения каждому виду.
Какие волны называют звуковыми? Перечислите основные характеристики звуковых волн. Дайте им определения и запишите формулы для вычисления.
Раздел 2. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. ТЕРМОДИНАМИКА
Тема 2.1.Основы молекулярно-кинетической теории
Основные понятия и термины по теме: молекулярно-кинетическая энергия, тепловое движение, диффузия, молекула, атом, броуновское движение, количество вещества, молярная масса, абсолютный нуль температуры, абсолютная температура.План изучения темы:
История атомистических учений. Наблюдения и опыты, подтверждающие атомно-молекулярное строение вещества.
Масса и размеры молекул. Тепловое движение.
Абсолютная температура как мера средней кинетической энергии частиц.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Молекулярная физика изучает физические свойства макроскопических тел (представляющих собой совокупность большого числа частиц), а также совершающиеся в них физические процессы, обусловленные тепловым движением и взаимодействием микрочастиц(атомов, молекул), составляющих эти тела. При этом используется два метода исследования: термодинамический и молекулярно-кинетический. В первом случае все процессы в макротелах рассматриваются с энергетической точки зрения. При помощи молекулярно-кинетического метода устанавливаются законы протекания различных физических процессов в макротелах на основе их молекулярной структуры и механизма взаимодействия отдельных молекул между собой. Каждый из этих методов нельзя рассматривать изолированно друг от друга.
Представление о том, что все тела построены из мельчайших частиц – атомов, было высказано еще в V в. до н. э. греческим философом Демокритом. Однако атомистические воззрения не получили признания и были возрождены лишь во второй половине XVII в. Бойлем. Затем в XVIII–XIX вв. на основе разработок Ломоносова, Дальтона, Больцмана, Максвелла и других была создана классическая молекулярно-кинетическая теория. Молекулярно-кинетической теорией называется учение, которое объясняет строение и свойства тел движением и взаимодействием атомов и молекул, из которых состоят тела. Эта теория основана на следующих положениях:
1. Все вещества состоят из очень маленьких отдельных частиц –молекул, атомов.
Молекулы в свою очередь состоят из еще более мелких частиц – атомов. Различные комбинации из атомов и создают все множество видов молекул. Атомы также не являются пределом делимости вещества, а представляют собой весьма сложные образования, состоящие из электрически положительно заряженного ядра, окруженного отрицательно заряженной электронной оболочкой. Однако классическая молекулярно-кинетическая теория не касается вопроса о строении атомов и молекул, рассматривая их упрощенно как твердые частички сферической формы диаметром в среднем порядка10-9–10-10 м. Это означает, что десять миллионов молекул, уложенные вплотную друг к другу вдоль прямой линии, составят молекулярную цепочку длиной всего лишь в 1–10 мм.
2.Между молекулами тела одновременно действуют силы взаимного притяжения и силы взаимного отталкивания.
Силы межмолекулярного взаимодействия имеют электрическую природу, обусловленную тем, что молекулы состоят из электрически заряженных частиц (положительных – атомных ядер и отрицательных – электронов), которым, как известно, свойственно притяжение – для разноименно заряженных и отталкивание – для одноименно заряженных частиц. Наличие сил притяжения и отталкивания между молекулами отчетливо обнаруживается в свойстве твердых сохранять свою форму при деформации.
3. Молекулы, образующие тело, находятся в состоянии непрерывного беспорядочного движения.
При этом они сталкиваются друг с другом и изменяют свою скорость, как по направлению, так и по величине. Правда, столкновения в обычном смысле этого слова не происходит, так как соприкосновению молекул препятствуют резко возрастающие при их сближении силы отталкивания. Именно хаотичным движением молекул объясняется явление диффузии (от латинского diffusio–распространение) – перемешивание молекул различных веществ (например, распространение запаха духов в комнате). Одним из первых подтверждений теплового движения молекул является так называемое броуновское движение. В 1827 году английский ботаник Броун, исследуя под микроскопом жидкие препараты, обнаружил, что частицы цветочной пыльцы, взвешенные в воде, совершали быстрые беспорядочные движения. Это движение объясняется тем, что в силу хаотичности движения молекул воды с разных сторон в броуновскую частицу ударяет разное количество молекул, поэтому частица (размеры броуновской частицы лишь в сотни раз больше размеров молекул воды) буквально мечется в разные стороны в поле зрения микроскопа.
Молекула – наименьшая устойчивая частица какого-либо вещества, обладающая его химическими свойствами. Молекула состоит из одного или нескольких атомов одинаковых или различных химических элементов. Атом состоит из положительно заряженного ядра (соединенные протоны и нейтроны), вокруг которого на расстояниях, превышающих размер ядра более чем в 1000 раз, вращаются электроны. Атомы и молекулы электрически нейтральны. Количество веществаν – физическая величина, характеризующая число структурных единиц в теле. Единицей измерения количества вещества является моль (моль). В одной структурной единице (в одном моле) содержится 6,02∙1023 атомов (молекул). Такое число атомов называется числом АвогадроNA:
NA=6,02∙1023моль-1.
Количество вещества равно отношению числа N атомов (молекул) в теле к числу Авогадро NA:ν=NNA или , где m – масса тела, М – молярная масса тела.
Приравнивая эти формулы, получим: NNA=mM, отсюда N=mMNA.
Молярная масса – масса вещества, взятого в количестве одного моля. Единица молярной массы – килограмм на моль (кг/моль). Молярные массы веществ, молекулы которых состоят из одного атома, приведены в Периодической системе Менделеева в г/моль, что следует учитывать при решении задач.
aТвердое тело,
жидкость
а)
Газ
b)
aНа основе молярной массы и числа Авогадро можно рассчитать массу молекулы по формуле:m0=МNAРазмер молекулы может быть оценен как размер a кубика, в котором содержится одна молекула (рис.):a=3V(2.4)
А объем кубика V, в свою очередь, равен отношению массы молекулы m к плотности вещества ρ:V=m0ρ(2.5)
Тогда, с учетом (3), размер молекулы a равен:a=3m0ρ=3МNАρ(2.6)
Скорость движения молекул в теле связана с его температурой: чем больше эта скорость, тем выше температура тела, поэтому хаотическое движение молекул также называют тепловым движением.
3. По мере увеличения интенсивности теплового движения среднее расстояние между молекулами возрастает, а силы сцепления уменьшаются. Этому процессу соответствует переход тела из твердого состояния в жидкое. При достаточно интенсивном тепловом движении среднее расстояние между молекулами может стать настолько большим, что силы сцепления между ними практически перестанут действовать. При этом тело перейдет в газообразное состояние. Таким образом, от интенсивности теплового движения молекул и от внешних условий зависит, в каком из трех возможных агрегатных состояний находится вещество: твердом, жидком или газообразном. Макроскопическая система может находиться в различных состояниях, отличающихся температурой, давлением, плотностью, объемом и т.д. Величины, характеризующие состояние макроскопической системы (тел) без учёта их молекулярного строения (V, p, Т) называют макроскопическими параметрами. Но эти параметры не исчерпываются объёмом, давлением и температурой. Например, для описания состояния смеси газов нужно ещё знать концентрации отдельных компонентов. Центральное место во всём учении о тепловых явлениях занимает понятие температуры. Температура – физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Для её измерения создан прибор, называемый термометром. В его устройстве использовано свойство тел изменять объём при нагревании или охлаждении. Термометр не показывает температуру сразу же после того, как он соприкоснулся с ним. Необходимо некоторое время для того, чтобы температуры тела и термометра выровнялись, и между телами установилось тепловое равновесие. Тепловое равновесие с течением времени устанавливается между любыми телами, имеющими различную температуру. Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел при неизменных внешних условиях самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия. Тепловое равновесие–это такое состояние тел, при котором макроскопические параметры сколь угодно долго остаются неизменными. Это означает, что в системе не меняются объём и давление, не происходит теплообмен, отсутствуют взаимные превращения газов, жидкостей, твёрдых тел и т.д. В частности, не меняется столбика ртути в термометре, т.е. температура системы остается постоянной. Температура характеризует состояние теплового равновесия тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру. Но микроскопические процессы внутри тела не прекращаются и при тепловом равновесии: меняются положения молекул, их скорости при столкновениях. В быту используется температура, отсчитанная по шкале Цельсия. Нулевой точкой на шкале Цельсия служит температура таяния льда при нормальном давлении (0°С), а температура 100°С соответствует температуре кипения воды при тех же условиях. В физике пользуются термодинамической температурой. Единица термодинамической температуры – кельвин (К). Термодинамическая (абсолютная) температура T связана с температурой t по шкале Цельсия соотношением
T = t + 273,15 (2.1.1)
Температура, равная 0 К, называется абсолютным нулем температуры. Абсолютный нуль – предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или при которой объём идеального газа стремится к нулю при неизменном давлении. На основе использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено уравнение, которое позволяло вычислить давление газа, если известны масса то молекулы газа, среднее значение квадрата скорости молекул v2и концентрация п молекул: (1), где - концентрация частиц (число частиц в 1м3 объёма), m0 – масса одной частицы, - средняя квадратичная скорость молекулы. Уравнение (1) называют основным уравнением молекулярно-кинетической теории. Учитывая, что вещества, то (1) перепишем: .
Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа Е: , получим (2). Давление идеального газа равно двум третям средней кинетической энергии поступательного движения молекул, содержащихся в единице объема. При тепловом равновесии средние кинетические энергии молекул всех газов одинаковы. С помощью основного уравнения МКТ её можно выразить через макроскопические параметры. Так ка концентрация молекул газа n=NV, то их (2) получаем p=2N3VE, или pVN=23E (3). Давление и объём измеряются непосредственно. Число молекул можно определить, зная массу газа, постоянную Авогадро и молярную массу. Обозначим pVN=θ. Будем считать величину θ прямо пропорциональной температуре Т: θ=kT. Тогда pVN=kT(4). Коэффициент k=1,38∙10-23ДжК называется постоянной Больцмана названа в честь одного из основателей МКТ Л. Больцмана. Постоянная Больцмана связывает температуру θ в энергетических единицах с температурой в Кельвинах. Это одна из наиболее важных постоянных в МКТ. Из уравнения (4) вытекает связь между средней кинетической энергией поступательного движения молекулы и температурой: E=32kT. Средняя кинетическая энергия хаотического поступательного движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре. Чем выше температура, тем быстрее движутся молекулы. При приближении температуры к абсолютному нулю энергия теплового движения молекул приближается к нулю.
Абсолютная температура есть мера средней кинетической энергии движения молекул.
Из формулы (4) и учитывая n=NV, получим выражение, показывающее зависимость давления газа от концентрации мол екул и температуры: p=nkT. Отсюда при одинаковых давлениях и температурах концентрация молекул у всех газов одна и та же.
Практические занятия:
Объяснение агрегатных состояний вещества на основе атомно-молекулярных представлений. Движение броуновских частиц. Диффузия. Изменение давления газа с изменением температуры при постоянном объеме.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач.
Вопросы для самоконтроля по теме:
Какая теория называется молекулярно-кинетической теорией? Какие положения лежат в её основе? Какие опыты доказывают эти положения?
2. Почему аромат цветов чувствуется на расстоянии?
4. Что называют молекулой, атомом? Какая физическая величина называется количеством вещества? Что называется постоянной Авогадро?
5.Какие величины характеризуют состояния макроскопических тел? Что называется тепловым равновесием? Что называется температурой?
6. Какая температура называется абсолютной? Чему равен абсолютный нуль температуры по шкале Цельсия?
7. Как зависит от температуры средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул газа?
Тема 2.2.Основы термодинамики.
Основные понятия и термины по теме: идеальный газ, уравнение состояния идеального газа, универсальная газовая постоянная, газовые законы, изопроцессы, внутренняя энергия, вечный двигатель, тепловые двигатели, КПД теплового двигателя.
План изучения темы:
Модель идеального газа. Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы.
Внутренняя энергия и работа газа.
Первый закон термодинамики. Необратимость тепловых процессов.
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. КПД тепловых двигателей.
Краткое изложение теоретических вопросов:
У газа при обычных давлениях расстояние между молекулами во много раз превышает их размеры. В этом случае силы взаимодействия молекул пренебрежимо малы и кинетическая энергия много больше потенциальной энергии их взаимодействия. Молекулы газа можно рассматривать как материальные точки. Вместо реального газа, между молекулами которого действуют сложные силы взаимодействия в физике, рассматривается его модель – идеальный газ.
Идеальный газ – это газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало. Естественно, при столкновении молекул идеального газа на них действует сила отталкивания. Так как молекулы газа можно согласно модели считать материальными точками, то размерами молекул можно пренебречь, считая, что объём, который они занимают, намного меньше объёма сосуда.
Состояние газа данной массы характеризуется тремя макроскопическими параметрами: давлением р, объёмом V и температурой Т. Уравнение, связывающее макроскопические параметры, характеризующие состояние достаточно разреженного газа данной массы, называется уравнением состояния идеального газа. Подставим в уравнение p=nkT выражение для вычисления концентрации n=NV, учитывая N=mMNA и получим p=mMVNAkT (1), где NА – постоянная Авогадро, m – масса газа, М – его молекулярная масса. Произведение постоянной Больцмана kи постоянной Авогадро NА называют универсальной (молярной) газовой постоянной и обозначают буквой R: R=kNA=8,31Джмоль∙К. Преобразуя формулу (1) и подставляя вместо произведения kNA универсальную газовую постоянную R,получим уравнение состояния идеального газа: pV=mMRT (2). Из этого уравнения вытекает связь между давлением, объёмом и температурой идеального газа, который может находиться в двух любых состояниях. Если индексом 1 обозначить параметры, относящиеся к первому состоянию, а индексом 2 – параметры, относящиеся ко второму состоянию, то согласно уравнению (2) для газа данной массы
P1V1T1=mMRиP2V2T2=mMR.Правые части этих уравнений одинаковы, следовательно, должны быть равны и их левые части: P1V1T1=P2V2T2=const(3). Уравнение состояния идеального газа в форме (3) называют уравнением Клапейрона и представляет собой одну из форм записи уравнения состояния. Уравнение состояния идеального газа в форме (2) было впервые получено великим русским ученым Д.И. Менделеевым. Его называют уравнением Менделеева-Клапейрона.
С помощью уравнения состояния идеального газа можно исследовать процессы, в которых масса газа и один из трёх параметров – давление, объём или температура – остаются неизменными. Количественные зависимости между двумя параметрами газа при фиксированном значении третьего называют газовыми законами. Процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров, называют изопроцессами. Изопроцесс– это идеализированная модель реального процесса, которая только приближенно отражает действительность.
Изотермический процесс – процесс состояния системы макроскопических тел (термодинамической системы) при постоянной температуре. Согласно уравнению Клапейрона (3) в любом состоянии с неизменной температурой произведение давления газа на его объём остаётся постоянным: pV=const при T=const. Для газа данной массы при постоянной температуре произведение давления газа на его объём постоянно. Этот закон экспериментально был открыт в 1660 г. английским учёным Робертом Бойлем (1627-1691 гг) и несколько позже французским ученым Эдме Мариоттом (1620-1684 гг). Поэтому он носит название закона Бойля-Мариотта. Закон Бойля-Мариотта справедлив обычно для любых газов, а также и для их смесей, например, для воздуха. Зависимость давления газа от объёма при постоянной температуре графически изображают кривой, которую называют изотермой. Изотерма изображает обратно пропорциональную зависимость между давлением и объёмом. (рис 1)
Рис 1 Рис 2 Рис 3
Различным постоянным температурам соответствуют различные параметры. При повышении температуры газа температуры газа давление увеличивается, если V=const. Поэтому изотерма, соответствующая более высокой температуре Т2, лежит выше изотермы, соответствующей более низкой температуре Т1 (рис 1).
Изобарным называется процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении. Согласно уравнению Клапейрона в любом состоянии газа с неизменным давлением отношение объёма газа к его температуре остаётся постоянным: VT=const при p=const (4). Для газа данной массы при постоянном давлении отношение объёма к температуре постоянно. Этот закон был установлен экспериментально в 1802 г. французским ученым Жозефом Луи Гей-Люссаком (1778-1850 гг) и носит название закона Гей-Люссака. Согласно уравнению (4) объём газа при постоянном давлении пропорционален температуре: V=const∙T. Эта зависимость графически изображается прямой, которая называется изобарой(рис 2). Разным давлениям соответствуют разные изобары. С ростом давления объём газа по закону Бойля-Мариотта уменьшается. Поэтому изобара, соответствующая более высокому давлению р2, лежит ниже изобары, соответствующей более низкому давлению р1. В области низких температур все изобары идеального газа сходятся в точке Т=0. Но это не означает, что объём реального газа обращается в нуль. Все газы при сильном охлаждении превращаются в жидкости, а к жидкости уравнение состояния идеального газа не применимо. Именно поэтому, начиная с некоторого значения температуры, зависимость объёма от температуры проводится на графике штриховой линией. В действительности таких значений температуры и давления у вещества в газообразном состоянии быть не может.
Изохорным называется процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объёме. Из уравнения Клапейрона вытекает, что в любом состоянии газа с неизменным объёмом отношение давления газа к его температуре остаётся постоянным: pT=const при V=const (5).
Для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объём не меняется. Этот газовый закон был установлен в 1787 году французским физиком Жаком Александром Сезаром Шарлем (1746-1823 гг). Согласно уравнению (5) давление газа при постоянном объёме пропорционально температуре:
p=const∙T (6). Эта зависимость изображается прямой, называемой изохорой (рис3). Разным объёмам соответствуют разные изохоры. С ростом объёма газа при постоянной температуре давление его согласно закону Бойля-Мариотта падает. Поэтому изохора, соответствующая большему объёму V2, лежит ниже изохоры, соответствующей меньшему объёмуV1. В соответствии с (6) все изохоры идеального газа начинаются в точке с Т=0. Значит, давление идеального газа при абсолютном нуле равно нулю. Увеличение давления газа в любом сосуде или электрической лампочке при нагревании можно считать изохорным процессом. Изохорный процесс используется в газовых термометрах постоянного объёма.
Одним из важнейших параметров, используемых в термодинамике для описания физических процессов, является понятие внутренней энергии системы. Внутренняя энергия системы – часть энергии системы взаимодействующих тел, определяемую внутренними параметрами этой системы тел. С точки зрения МКТ внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме кинетических энергий беспорядочного движения всех молекул (или атомов) тела и потенциальных энергий взаимодействия всех молекул друг с другом (но не с молекулами других тел). Вычислить внутреннюю энергию тела (или её изменение), учитывая движение отдельных молекул и их положения относительно друг друга, практически невозможно из-за огромного числа молекул в макроскопических телах. Поэтому необходимо уметь определять значение внутренней энергии (или её изменение) в зависимости от макроскопических параметров, которые можно непосредственно измерить. Молекулы идеального газа взаимодействуют только при столкновениях. Это значит, что потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю. Следовательно, внутренняя энергия идеального одноатомного газа равна сумме значений кинетической энергии хаотического теплового движения всех его молекул: U=NE=ϑ∙Na∙32∙k∙T или U=32∙mM∙R∙T (7). Из этого уравнения следует, что внутренняя энергия идеального газа зависит от еготемпературы. Из уравнения (7) и уравнения состояния идеального газа (2) получаем: U=32pV. Внутренняя энергия идеального газа пропорциональна произведению давления на объём газа. В реальных газах, жидкостях и твёрдых телах между атомами и молекулами действуют силы притяжения и отталкивания. Потенциальная энергия взаимодействия молекул зависит от расстояния между ними, а расстояние между молекулами изменяется при изменениях объёма тела. Поэтому внутренняя энергия реальных газов, жидкостей и твёрдых тел зависит не только от температуры, но и от объёма тела. Внутренняя энергия системы является функцией её состояния. При изменениях этого состояния меняется и внутренняя энергия системы. Различают два способа изменения внутренней энергии: теплообмен – процесс переноса части внутренней энергии от одного тела к другому (или между частями одного и того же тела), обусловленный различием их температур и не связанный с совершением работы и совершение работы – процесс изменения внутренней энергии системы, связанный с перемещением её частей относительно друг друга. Мерой изменения внутренней энергии в процессе совершения работы является величина работа А. Для установления связи этой работы с параметрами состояния тела рассмотрим процесс расширения газа в цилиндре с поршнем. Пусть начальное состояние газа в цилиндре характеризуется макроскопическими параметрами давление р1 и объём V1. В результате небольшого перемещения поршня объём газа уменьшился и стал равным V2. Тогда внешняя сила, сжимающая газ и равная F=pвнеш∙S (рвнеш- внешнее давление на поршень, S – площадь сечения поршня), совершит работу:
Aвнеш=F∙l1-l2=pвнеш∙S∙l1-l2=pвнеш∙V1-V2=-pвнеш∙∆V.
Полученная формула Aвнеш=-pвнеш∙∆V справедлива не только для газа, но и для любого другого тела, объём которого изменяется при постоянном всестороннем внешнем давлении. Работу внешних сил следует отличать от работы самого газа А/. А/=-Авнеш=p∙∆V. Знак «-» показывает, что сила давления газа направлена в сторону, противоположную направлению действия внешней силы: при расширении газ совершает положительную работу, так как направление силы и направление перемещения поршня совпадают.
В общем случае при переходе системы из одного состояния в другое внутренняя энергия изменяется одновременно как за счёт совершения работы, так и за счёт передачи теплоты. Первый закон термодинамики формулируется именно для таких общих случаев: изменение внутренней энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе:
∆U=A+Q (8)
Если система является изолированной, то работа внешних сил равна нулю (А=0) и система не обменивается теплотой с окружающими телами (Q=0). В этом случае согласно первому закону термодинамики ∆U=U2-U1=0, или U1=U2. Внутренняя энергия изолированной системы остаётся неизменной (сохраняется). Часто вместо работы внешних тел над системой рассматривают работу системы надвнешними телами, т.е. А/=-А, первый закон термодинамики можно записать так:
Q=∆U+A/(9)
Количество теплоты, переданное системе, идёт на изменение её внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами.
Из первого закона термодинамики вытекает невозможность создания вечного двигателя – устройства, способного совершать неограниченное количество работы без затрат топлива или каких-либо других материалов. Если к системе не поступает тепло Q=0, то работа системы согласно (9) может быть совершена только за счёт убыли внутренней энергии: A/=-∆U. После того как запас энергии окажется исчерпанным, двигатель перестанет работать.
Рассмотрим различные процессы, при которых одна из физических величин остаётся неизменной (изопроцессы), например, случай, когда система представляет собой идеальный газ.
Изохорный процесс. При изохорном процессе объём газа не меняется, и поэтому работа газа равна нулю. Изменение внутренней энергии согласно (9) равно количеству переданной ему теплоты: Q=∆U. Если газ нагревается, то Q>0 и ∆U>0, его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении газа Q<0 и ∆U=U2-U1<0, изменение внутренней энергии отрицательно и внутренняя энергия уменьшается.
Изотермический процесс. При изотермическом процессе внутренняя энергия идеального газа не меняется, т.к. Т=0, то согласно формуле (7) ∆U=0. В соответствии с формулой (9) все переданное количество теплоты идет на совершение работы: Q=A/. Если газ получает тепло Q>0, то он совершает положительную работу A/>0. Если напротив, газ отдаёт тепло окружающей среде (термостату), то Q<0 и A/<0.Работа же внешних сил над газом в последнем случае положительна.
Изобарный процесс. При изобарном процессе согласно формуле (8) передаваемое газу количество теплоты идет на изменение его внутренней энергии и на совершение им работы при постоянном давлении: Q=∆U+A/=∆U+p∆V.
Адиабатный процесс. Рассмотрим теперь процесс, протекающий в системе, которая не обменивается теплом с окружающими телами. Процесс в теплоизолированной системе называют адиабатным. При адиабатном процессе Q=0 и согласно уравнению (8) изменение внутренней энергии происходит только за счёт совершения работы: A=∆U. При совершении над системой положительной работы, например при сжатии газа, его внутренняя энергия увеличивается, что означает повышение температуры газа. И, наоборот, при расширении газа сам газ совершает положительную работу (A/>0) и его внутренняя энергия уменьшается – газ охлаждается. Нагревание воздуха при быстром охлаждении нашло применение в двигателях Дизеля.
48444153850640Многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности. Нагретые тела постепенно остывают, передавая свою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, если количество теплоты, отданное холодным телом, равно количеству теплоты, полученному горячим, но такой процесс самопроизвольно не протекает. Такой процесс не противоречит вообще никакому закону, кроме второго закона термодинамики, который указывает направление возможных энергетических превращений, т.е. направление возможных энергетических превращений, т.е. направление возможных энергетических превращений, т.е. направление процессов, и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Этот закон был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов. Есть несколько формулировок второго закона, которые, несмотря на внешнее различие, выражают, в сущности, одно и то же и поэтому равноценны. Немецкий учёный Рудольф Юлиус Иммануил Клаузиус (1822-1888 гг) сформулировал этот закон так: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах. Важность этого закона в том, что из него можно вывести заключение о необратимости не только процесса теплопередачи, но и других процессов в природе. Все процессы самопроизвольно протекают в одном направлении. Они необратимы. Тепло всегда переходит от горячего тела к холодному, а механическая энергия макроскопических тел – во внутреннюю.
Тепловые двигатели – это устройства, превращающие внутреннюю энергию топлива в механическую. Для того чтобы двигатель совершал работу, необходима разность давлений по обе стороны поршня двигателя или лопастей турбины. Во всех двигателях эта разность давлений достигается за счёт повышения температуры рабочего тела (газа) на сотни или тысячи градусов по сравнению с температурой окружающей среды. Такое повышение температуры происходит при сгорании топлива. Одна из основных частей двигателя – сосуд, наполненный газом, с подвижным поршнем. Рабочим телом у всех тепловых двигателей является газ, который совершает работу при расширении. Температуру Т1 пар приобретает либо в паровом котле (паровые турбины или машины), либо при сгорании топлива внутри самого двигателя (двигатель внутреннего сгорания, газовые турбины). Температуру Т1 называют температурой нагревателя. По мере совершения работы газ теряет энергию и неизбежно охлаждается до некоторой температуры Т2, которая обычно несколько выше температуры окружающей среды. Её называют температурой холодильника. Холодильником является атмосфера или специальные устройства для охлаждения и конденсации отработанного пара – конденсаторы. В последнем случае температура холодильника может быть немного ниже температуры атмосферы. Таким образом, в двигателе рабочее тело при расширении не может отдать всю свою внутреннюю энергию на совершение работы. Часть теплоты неизбежно передаётся холодильнику (атмосфере) вместе с отработанным паром или выхлопными газами двигателей внутреннего сгорания и газовых турбин. Эта часть внутренней энергии теряется. Тепловой двигатель совершает работу за счёт внутренней энергии рабочего тела. Причём в этом процессе происходит передача теплоты от более горячих тел (нагревателя) к более холодным (холодильнику). Рабочее тело двигателя получает от нагревателя при сгорании топлива количество теплоты Q1, совершает работу А/ и передаёт холодильнику количество теплоты Q2<Q1. Согласно закону сохранения энергии работа, совершаемая двигателем, равна: A/=Q1-Q2, где Q1 – количество теплоты, полученное от нагревателя, а Q2 –количество теплоты, отданное холодильнику. Коэффициентом полезного действия (КПД) тепловых двигателей называют отношение работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученной от нагревателя: η=A/Q1=Q1-Q2Q1=1-Q2Q1. Так как у всех двигателей некоторое количество теплоты передаётся холодильнику, то η<1. КПД теплового двигателя пропорционален разности температур нагревателя и холодильника. При T1-T2=0двигатель не может работать. Законы термодинамики позволяют вычислить максимально возможный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2. Впервые это сделал французский инженер и учёный Сади Карно (1796-1832 гг) в 1824 году. Карно придумал идеальную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Идеальная тепловая машина Карно работает по циклу, состоящему из двух изотерм и двух адиабат. Сначала сосуд с газом приводят в контакт с нагревателем, газ изотермически расширяется, совершая положительную работу, при температуре Т1, при этом он получает количество теплоты Q1. Затем сосуд теплоизолируют, газ продолжает расширяться уже адиабатно, при этом его температура понижается до температуры холодильника Т2. После этого газ приводят в контакт с холодильником, при изотермическом сжатии он отдаёт холодильнику количество теплоты Q2, сжимаясь до объёма V4<V2. Затем сосуд снова термоизолируют, газ сжимается адиабатно до объёма V1 и возвращается в первоначальное состояние. Карно получил для КПД этой машины следующее выражение: ηmax=T1-T2T1=1-T2T1. Главное значение этой формулы состоит в том, что любая реальная тепловая машина, работающая с нагревателем, имеющим температуру Т1, и холодильником с температурой Т2, не может иметь КПД, превышающий КПД идеальной тепловой машины: Q1-Q2Q1≤T1-T2T1. Эта формула показывает, что тепловой двигатель тем эффективнее, чем выше температура нагревателя и ниже температура холодильника. Лишь при температуре холодильника, равной абсолютному нулю, η=1.
Практические занятия:
Изменение внутренней энергии тел при совершении работы. Применения первого закона термодинамики.
КПД тепловых двигателей. Модели тепловых двигателей.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач.
Вопросы для самоконтроля по теме:
Какой газ называется идеальным? Какое уравнение называется уравнением состояния идеального газа? Запишите уравнение состояния идеального газа?
Что называют газовыми законами? Что такое изопроцессы? Дайте характеристику каждому из трёх изопроцессов?
Что называют внутренней энергией? Что такое внутренняя энергия термодинамической системы? От каких величин зависит внутренняя энергия идеального газа? Чему равна внутренняя энергия идеального одноатомного газа?
Как формулируется первый закон термодинамики? Применение этого закона для изопроцессов? Какой процесс называется адиабатным? Почему все процессы, происходящие в природе необратимые? А многие процессы, подтверждающие законом сохранения энергии протекать в природе не могут?
Какое устройство называют тепловым двигателем? Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела в тепловом двигателе? Что называется коэффициентом полезного действия двигателя? Чему равно максимальное значение КПД теплового двигателя? Может ли КПД реальной тепловой машины превосходить КПД идеальной тепловой машины?
Тема 2.3. Агрегатные состояния и фазовые переходы.
Основные понятия и термины по теме: испарение, конденсация, динамическое равновесие, насыщенный и ненасыщенный пар, абсолютная и относительная влажности, поверхностное натяжение, смачивание, кристаллы, аморфные тела, жидкие кристаллы. План изучения темы:
Объяснение агрегатных состояний вещества на основе атомно-молекулярных представлений.
Модель строения жидкости. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Поверхностное натяжение и смачивание.
Модель строения твердых тел. Механические свойства твердых тел. Аморфные вещества и жидкие кристаллы.
Изменения агрегатных состояний вещества.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Газ (французское gazот греческого chaosхаос) – агрегатное состояние вещества, в котором его частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь предоставленный им объем и принимая его форму. В газах расстояние между атомами или молекулами в среднем во многом раз больше размеров самих молекул. Газы легко сжимаются, при этом уменьшается среднее расстояние между молекулами, но форма молекулы не изменяется. Молекулы с огромными скоростями – сотни метров в секунду – движутся в пространстве. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга в разные стороны. Слабые силы притяжения молекул газа не способны удержать их друг возле друга. Поэтому газы могут неограниченно расширяться, они не сохраняют ни формы, ни объёма. Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.
Жидкость – агрегатное состояние вещества, промежуточное между твёрдым и газообразным. Жидкости присущи некоторые черты твердого тела (сохраняет свой объем, образует поверхность, обладает определенной прочностью на разрыв) и газа (принимает форму сосуда, в котором находится, может непрерывно переходить вгаз). Молекулы жидкости расположены почти вплотную друг к другу, поэтому молекула жидкости ведёт себя иначе, чем молекула газа. В жидкостях сохраняется упорядоченное расположение молекул на расстояниях, равных нескольким молекулярным диаметрам. Молекула колеблется около своего положения равновесия, сталкиваясь с соседними молекулами. Лишь время от времени она совершает очередной «прыжок», попадая в новое положение равновесия. Молекулы жидкости находятся непосредственно друг возле друга. При уменьшении объёма силы отталкивания становятся очень велики. Этим объясняется малая сжимаемость жидкостей. В то же время жидкость обладает рядом присущих, прежде всего ей особенностей, наиболее характерной из которых является текучесть. Текучестью называют свойство тел пластически или вязко деформироваться под действием напряжений. Таким образом они не сохраняют свою форму. Внешняя сила заметно не меняет числа перескоков молекул в секунду. Но перескоки молекул из одного оседлого положения в другое происходят преимущественно в направлении действия внешней силы. Вот почему жидкость течет и принимает форму сосуда.
Твердое тело – агрегатное состояние вещества, характеризующееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания относительно положений равновесия. Атомы или молекулы твёрдых тел, в отличие от атомов и молекул жидкостей, колеблются около определённых положений равновесия. По этой причине твёрдые тела сохраняют не только объём, но и форму. Потенциальная энергия молекул твёрдого тела существенно больше их кинетической энергии.
Жидкое состояние, занимая промежуточное положение между газами и кристаллами, сочетает в себе некоторые черты обоих этих состояний. Наличие в жидкостях ближнего порядка служит причиной того, что структуру жидкостей называют квазикристаллической (кристаллоподобной). Из-за отсутствия дальнего порядка жидкости, за немногими исключениями, не обнаруживают анизотропии, характерной для кристаллов с их правильным расположением частиц. Промежуточным положением жидкостей обусловлено то обстоятельство, что жидкое состояние оказывается особенно сложным по своим свойствам. Жидкостям присуще, как и твердым телам присуще такое явление как парообразование.
Парообразование – это процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное. С точки зрения молекулярно-кинетической теории, испарение – это процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают наиболее быстрые молекулы, кинетическая энергия которых превышает энергию их связи с остальными молекулами жидкости. Это приводит к уменьшению средней кинетической энергии оставшихся молекул, т. е. к охлаждению жидкости (если нет подвода энергии от окружающих тел). При этом процессе число молекул, покидающих жидкость за определённый промежуток времени, больше числа молекул возвращающихся вылетевшая молекула принимает участие в беспорядочном тепловом движении газа. Беспорядочно двигаясь, она может навсегда удалиться от поверхности жидкости, находящейся в открытом сосуде. Но может и вернуться снова в жидкость. Кипение – процесс интенсивного парообразования, проходящий по всему объёму жидкости внутрь образующихся пузырьков пара. Пар – это совокупность молекул, вылетевших из жидкости при парообразовании. Процесс перехода молекул пара в жидкость называется конденсацией. При испарении покидают жидкость более быстрые молекулы, поэтому средняя кинетическая энергия молекул жидкости уменьшается. Это означает, что происходит понижение температуры жидкости. Процесс испарения происходит со свободной поверхности. Если лишь жидкость испаряться, то охлаждение происходит гораздо медленнее. Если сосуд с жидкостью плотно закрыть, то плотность пара над поверхностью жидкости начнёт увеличиваться, частицы пара будут всё сильнее мешать другим молекулам жидкости вылетать наружу, и скорость испарения будет уменьшаться. Одновременно начнёт увеличиваться скоростью конденсации, так как с возрастанием концентрации пара число молекул, возвращающихся в жидкость, будет становиться всё больше. Наконец, в какой-то момент скорость конденсации окажется равна скорости испарения. Наступит динамическое равновесие между жидкостью и паром – это состояние, при котором скорость парообразования равна скорости конденсации, т.е. за единицу времени из жидкости будет вылетать столько же молекул, сколько возвращается в неё из пара. Начиная с этого момента количество жидкости, перестанет убывать, а количество пара – увеличиваться; пар достигнет «насыщения». Насыщенный пар – это пар, который находится в состоянии динамического равновесия со своей жидкостью. Давление насыщенного пара – это давление, при котором жидкость находится в динамическом равновесии со своим паром. Давление и плотность насыщенного пара обозначаются рн и ρн – это максимальные значения давления и плотности, которые может иметь пар при данной температуре. Другими словами, давление и плотность насыщенного пара всегда превышает давление и плотность ненасыщенного пара. Состояние насыщенного пара можно приближённо описывать уравнением состояния идеального газа. В частности, имеем приближённое соотношение между давлением насыщенного пара и его плотностью: pн=ρнMRT. Это весьма удивительный факт, подтвержденный экспериментом. Ведь по своим свойствам насыщенный пар существенно отличается от идеального газа. Основные свойства насыщенного пара:
При неизменной температуре плотность насыщенного пара не зависит от его объёма.
Давление насыщенного пара не зависит от его объёма.
При неизменном объёме плотность насыщенного пара растёт с повышением температуры и уменьшается с понижением температуры.
Давление насыщенного пара растёт с температурой быстрее, чем по линейному закону.
Пар, не находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью называют ненасыщенным. Максимальная температура, при которой пар ещё может превратиться в жидкость, называется критической температурой.
Воздух, содержащий водяной пар, называется влажным. Чем больше пара находится в воздухе, тем выше влажность воздуха. Абсолютная влажность – это парциальное давление водяного пара, находящегося в воздухе. p=мм.рт.ст.Парциальное давление – это давление, которое водяной пар оказывал бы в отсутствие других газов. Иногда абсолютной влажностью называют также плотность водяного пара в воздухе. Абсолютную влажность и давление пара можно связать по уравнению Менделеева-Клапейрона: ρ=pMRT.
Относительная влажность воздуха φ – это отношение парциального давления водяного пара в нём к давлению насыщенного водяного пара при той же температуре. Как правило это отношение выражают в процентах: φ=ppн∙100%. Из уравнения Менделеева-Клапейрона следует, что отношение давлений пара равно отношению плотностей.φ=ρρн∙100%. Одним из приборов, измеряющих влажность 5073015-95885воздуха, является психрометр. Он включает в себя два термометра, резервуар одного из которых завёрнут в мокрую ткань. Чем ниже влажность, тем интенсивнее идёт испарение воды из ткани, тем сильнее охлаждается резервуар «влажного» термометра, и тем больше разность его показаний и показаний сухого термометра. По этой разности с помощью специальной психрометрической таблицы определяют влажность воздуха.Точка росы – это температура, при которой водяные пары, ранее не насыщавшие воздух, становятся насыщенными.
Характерным свойством жидкого состояния является наличие резкой границы, разделяющей жидкость и её пар. При этом поверхностный слой жидкости, представляющий переход от жидкости к пару, отличается особыми свойствами. Молекулы стремятся уйти внутрь жидкости с её поверхности, жидкость принимает такую форму, при которой её свободная поверхность имеет наименьшую возможную величину. Это хорошо проявляется в различных явлениях. Например, капельки жидкости принимают шарообразную форму – капельки воды на раскалённой плите или пыльной дороге, капельки ртути на стеклянной пластинке. Благодаря этому вдоль поверхности жидкости действуют силы, называемые силами поверхностного натяжения. Поверхностное натяжение – основная термодинамическая характеристика поверхностного слоя жидкости на границе с газами или другой жидкостью. Сила поверхностного натяжения – сила, которая действует вдоль поверхности жидкости перпендикулярно к линии, ограничивающей эту поверхность, и стремиться сократить её до минимума. . Силы поверхностного натяжения проявляются при сложной перестройке формы всей жидкости при сохранении объёма. Коэффициент поверхностного натяжения σ – отношение модуля силы поверхностного натяжения, действующей на границу поверхностного слоя длиной l, к этой длине. .
Не зависит от длины l.
Зависит от: а) природы граничащих сред; б) температуры.
При Т=Тк σ=0. Различные чистые вещества имеют различный коэффициент поверхностного натяжения.
Смачивание– явление, возникающее из-за взаимодействия молекул жидкостей с молекулами твёрдого тела и приводящее к искривлению поверхности жидкости у поверхности твёрдого тела. При соприкосновении жидкости с твёрдым телом поведение жидкости будет зависеть от того, что больше: силы притяжения молекул жидкости между собой или силы притяжения молекул жидкости и молекул твёрдого тела. Если силы притяжения между молекулами жидкости и молекулами твёрдого тела больше, чем силы притяжения между молекулами жидкости, то жидкость называется смачивающей. При этом жидкость притягивается к твёрдому телу.
Если силы притяжения между молекулами жидкости больше, чем силы притяжения между молекулами жидкости и твёрдого тела, то жидкость называется несмачивающей. При этом жидкость отталкивается от твёрдого тела.
Капиллярные явления – подъём или опускание жидкости в узких трубках-капиллярах по сравнению с уровнем жидкости в широких сосудах. При этом смачивающая жидкость поднимается по капилляру (рис.1), несмачивающая – опускается (рис 2).
Рис 1 Рис 2
Высота подъёма смачивающей жидкости по капилляру (или опускания несмачивающей жидкости) определяется формулой:
В жизни мы часто встречаемся с капиллярными явлениями. Многие тела пронизаны множеством мелких каналов (бумага, кожа, почва, дерево, строительные материалы). При соприкосновении с водой или другими жидкостями эти тела часто впитывают их в себя. Примерами служат полотенце при вытирании рук, фитиль в керосиновой лампе, промокательная бумага и т.д.
Различают кристаллические и аморфные твердые тела. Для кристаллов характерна пространственная периодичность в расположении равновесных положений атомов. В аморфных телах атомы колеблются относительно хаотически расположенных в пространстве точек. Кристаллы – твёрдые тела, атомы или молекулы которых занимают упорядоченные положения в пространстве. Если весь кусок вещества представляет собой один кристалл, то его называют монокристаллом. Примером этого могут служить крупинки сахарного песка. Некоторые вещества могут образовывать очень крупные кристаллы, например, кристаллы горного хрусталя. Твёрдое тело, состоящее из большого числа маленьких сросшихся между собой кристаллов, называют поликристаллами. Примером может служить кусок сахара-рафинада, кусок любого металла. Монокристаллы анизотропны, поликристаллы – изотропны. Анизотропия – различие физических свойств тела по разным направлениям. Аморфные тела – это твёрдые тела, физические свойства которых одинаковы по всем направлениям. Аморфные тела не имеют постоянной температуры плавления. Все аморфные тела изотропны, т.е. физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др. при внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твёрдым телам, и текучесть, подобно жидкости. Так, при кратковременных воздействиях они ведут себя как твёрдые тела и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. В этом можно убедиться сами, если запасаетесь терпением. Проследите за куском смолы, который лежит на твёрдой поверхности. Постепенно смола по ней растекается, и, чем выше температура, тем быстрее это происходит.
В настоящее время большой интерес вызывает новый класс веществ – жидкие кристаллы. Молекулы жидких кристаллов не образуют кристаллической решетки, но ввиду своей формы (плоские, нитевидные) могут выстраиваться при незначительном воздействии в определенном порядке. Структура при этом приобретает свойства слоистых или нитевидных кристаллов. Упорядоченное расположение молекул в жидких кристаллах наблюдается лишь по одному направлению. Структура, соответствующая жидким кристаллам, возникает в органических веществах, молекулы которых имеют нитевидную вытянутую форму или же форму плоских пластин. Например, растворенное в воде мыло образует жидкие кристаллы. Молекула мыла имеет форму палочки. Тот конец молекулы, который имеет отрицательный заряд, тяготеет к молекулам воды, это является причиной упорядоченной ориентации молекул мыла по отношению к воде. Мыльный раствор (в воде) состоит из большого числа двойных слоев молекул мыла, разделенных слоем воды. Двойные слои, образующие жидкий кристалл, обладают большой подвижностью, что определяет моющие свойства мыла. Частички грязи и очищаемая поверхность покрываются слоями жидких кристаллов, легко скользящих один относительно другого. При небольшом механическом воздействии частички грязи, обволакиваемые «шубой» жидких кристаллов легко переходят в раствор и уносятся вместе с водой.
Жидкие кристаллы находят широкое практическое применение. Многие вещества в жидкокристаллическом состоянии обладают весьма ценным качеством: некоторые их свойства резко изменяются при незначительном изменении внешних условий (температура, длина волны облучаемого света, электрическое и магнитное поля и т. д.). Оптическую ось в жидких кристаллах можно легко ориентировать электрическим полем. Этот эффект используется при построении жидкокристаллических индикаторов и экранов. На основе жидких кристаллов разработан преобразователь инфракрасного изображения в видимое, применяемый в медицине, военном деле и других отраслях. Некоторые жидкие кристаллы весьма чувствительны к присутствию паров различных химических веществ: при наличии в воздухе ничтожно малой концентрации этих веществ структура жидкого кристалла меняется, что сопровождается изменением его цвета.
Жидкие кристаллы обнаруживаются в важнейших функциональных участках клетки живых организмов. Распространенность жидкокристаллического состояния в живых тканях обусловлена его высокой чувствительностью к окружающей среде, гибкостью структуры и достаточной устойчивостью к внешним воздействиям. Для обмена веществ с окружающей средой (основная особенность живой клетки) жидкие кристаллы являются идеальными образованиями, так как они могут растворять многие вещества, не изменяя своей жидкокристаллической структуры, легко обмениваться молекулами. При соответствующих условиях жидкие кристаллы могут набухать, а затем опять сжиматься, не теряя жидкокристаллического строения, в мышечных волокнах они могут растягиваться и сжиматься, не разрушаясь. Значительная прочность жидкокристаллических волокон необходима для образования опорных тканей.
Количество теплоты – энергия, переданная или полученная телом в результате теплообмена.
Процесс Формула График Пояснения
Нагревание
Охлаждение
t
t, c «с» - удельная теплоёмкость – это величина, численно равная количеству теплоты, которое получает или отдает вещество массой 1 кг при изменении его температуры на 1 К.
Плавление – процесс перехода из твёрдого состояния в жидкое
Кристаллизация (отвердевание) – процесс перехода вещества из жидкого состояния в твёрдое
t,C
t,c«λ» - удельная теплота плавления - величина, численно равную количеству теплоты, необходимому для превращения кристаллического вещества массой 1 кг при температуре плавления в жидкость.
Парообразование
Конденсация
t,C
t,cr – удельная теплота парообразования – величина, численно равная количеству теплоты, необходимому для превращения при постоянной температуре жидкости массой 1 кг в пар
Практические занятия:
Кипение воды при пониженном давлении. Психрометр и гигрометр. Явления поверхностного натяжения и смачивания.
Кристаллы, аморфные вещества, жидкокристаллические тела.
Лабораторные работы:
Измерение влажности воздуха.
Измерение поверхностного натяжения жидкости.
Наблюдение роста кристаллов из раствора.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради
3. Составление отчётов лабораторных работ
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач и лабораторных заданий.
Вопросы для самоконтроля по теме:
Перечислить основные свойства газов, объяснить с точки зрения МКТ.
Перечислить основные свойства жидкостей, объяснить с точки зрения МКТ.
Перечислить основные свойства твёрдых тел, объяснить с точки зрения МКТ.
Что называют парообразованием, испарением, кипением? Какой процесс называется конденсацией? Какое состояние жидкости называют динамическим равновесием со своим паром? Что такое насыщенный пар? Перечислите основные свойства насыщенного пара? Что называют поверхностным натяжением, силой поверхностного натяжения? Что называется смачиванием? Какие жидкости смачиваемые, несмачиваемые? Что называют капиллярными явлениями?
Что называют абсолютной влажностью? Относительной влажностью? Что называют парциальным давлением? Какая температура называется точкой росы?
Какие тела называют кристаллическими, аморфными? Какие вещества называют жидкими кристаллами?
Какая энергия называется количеством теплоты? Записать формулы количества теплоты для различных процессов? От чего зависит удельная теплоёмкость вещества? Что называется удельной теплотой парообразования? Что называют удельной теплотой плавления?
Раздел 3.Электродинамика
Тема 3.1.Электрическое поле
Основные понятия и термины по теме: наэлектризованные тела, электрический заряд, точечный заряд, поверхностная плотность заряда, напряженность электрического поля, потенциал, разность потенциалов, проводники, диэлектрики, неполярные диэлектрики, полярные диэлектрики, электрический диполь, диэлектрическая проницаемость среды, конденсатор, электрическая ёмкость.План изучения темы:
Взаимодействие заряженных тел. Электрический заряд. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.
Электрическое поле. Напряженность поля. Потенциал поля. Разность потенциалов.
Проводники в электрическом поле.
Диэлектрики в электрическом поле.
Электрическая емкость. Конденсатор.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Тела, способные подобно янтарю после натирания притягивать мелкие предметы, называют наэлектризованными. Это означает, что на телах в таком состоянии имеются электрические заряды, а сами тела называются заряженными.Способы электризации тел, которые представляют собой взаимодействие заряженных тел, могут быть следующими:
Электризация тел при соприкосновении. В этом случае при тесном контакте небольшая часть электронов переходит с одного вещества, у которого связь с электроном относительно слаба, на другое вещество.
Электризация тел при трении. При этом увеличивается площадь соприкосновения тел, что приводит к усилению электризации.
Влияние. В основе влияния лежит явление электростатической индукции, то есть наведение электрического заряда в веществе, помещённом в постоянное электрическое поле.
Электризация тел под действием света. В основе этого лежит фотоэлектрический эффект, или фотоэффект, когда под действием света из проводника могут вылетать электроны в окружающее пространство, в результате чего проводник заряжается.
Многочисленные опыты показывают, что когда имеет место электризация тела, то на телах возникают электрические заряды, равные по модулю и противоположные по знаку.
Ответить на вопрос: «Что такое электрический заряд?» – нельзя, но можно утверждать точно, что наличие на теле электрического заряда приводит к способности электромагнитного взаимодействия его с другими телами, которые также владеют таким свойством. Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая свойство частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q.[q]=Кл.
Совокупность всех известных экспериментальных фактов позволяет сделать следующие выводы:
Существует два рода электрических зарядов, условно названных положительными и отрицательными. Отрицательный заряд тела обусловлен избытком электронов на теле по сравнению с протонами, а положительный заряд обусловлен недостатком электронов.
Заряды могут передаваться (например, при непосредственном контакте) от одного тела к другому. В отличие от массы тела электрический заряд не является неотъемлемой характеристикой данного тела. Одно и то же тело в разных условиях может иметь разный заряд.
Одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются. В этом также проявляется принципиальное отличие электромагнитных сил от гравитационных. Гравитационные силы всегда являются силами притяжения.
Взаимодействие тел, имеющих заряды одинакового или разного знака, можно продемонстрировать на следующих опытах. Наэлектризуем эбонитовую палочку трением о мех и прикоснёмся ею к металлической гильзе, подвешенной на шёлковой нити. На гильзе и эбонитовой палочке распределяются заряды одного знака (отрицательные заряды). Приближая заряженную отрицательно эбонитовую палочку к заряженной гильзе, можно увидеть, что гильза будет отталкиваться от палочки (рис. 1.2). Если теперь поднести к заряженной гильзе стеклянную палочку, потёртую о шёлк (положительно заряженную), то гильза будет к ней притягиваться (рис. 1.3).
8312155715
Рис. 1.2. Взаимодействие тел
с зарядами одного знака. Рис. 1.3. Взаимодействие тел
с зарядами разных знаков.
Отсюда следует, что тела, имеющие заряды одинакового знака (одноимённо заряженные тела), взаимно отталкиваются, а тела, имеющие заряды разного знака (разноименно заряженные тела), взаимно притягиваются. Аналогичные вводы получаются, если приближать два султана, одноименно заряженные (рис. 1.4) и разноименно заряженные (рис. 1.5).
Рис. 1.4. Взаимодействие
одноименно заряженных султанов Рис. 1.5. Взаимодействие
разноименно заряженных султанов
Когда происходит электризация тела, то есть когда отрицательный заряд частично отделяется от связанного с ним положительного заряда, выполняется закон сохранения электрического заряда. Закон сохранения заряда справедлив для замкнутой системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы. Закон сохранения электрического заряда формулируется следующим образом: заряды не создаются и не пропадают, они могут быть переданы от одного тела другому или перемещены внутри одного тела. q1+q2+q3+...+qn=const, где q1, q2 и т.д. – заряды частиц. Закон сохранения электрического заряда утверждает, что в замкнутой системе тел не могут наблюдаться процессы рождения или исчезновения зарядов только одного знака.
С современной точки зрения, носителями зарядов являются элементарные частицы. Все обычные тела состоят из атомов, в состав которых входят положительно заряженные протоны, отрицательно заряженные электроны и нейтральные частицы – нейтроны. Протоны и нейтроны входят в состав атомных ядер, электроны образуют электронную оболочку атомов. Электрические заряды протона и электрона по модулю в точности одинаковы и равны элементарному заряду e. В нейтральном атоме число протонов в ядре равно числу электронов в оболочке. Это число называется атомным номером. Атом данного вещества может потерять один или несколько электронов или приобрести лишний электрон. В этих случаях нейтральный атом превращается в положительно или отрицательно заряженный ион.Заряд может передаваться от одного тела к другому только порциями, содержащими целое число элементарных зарядов. Таким образом, электрический заряд тела – дискретная величина:
Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда. Следует отметить, что в современной физике элементарных частиц предполагается существование так называемых кварков – частиц с дробным зарядом ±13e и ±23e. Однако, в свободном состоянии кварки до сих пор наблюдать не удалось.
Для измерения величины заряда на теле существует измерительный прибор – электрометр (рис. 1.6). При его соприкосновении с металлическим стержнем
37217352667052641590170
Рис. 1.6
электрометра часть заряда переходит на посаженную на ось, проводящую стрелку и она отклоняется. По углу отклонения определяется величина заряда. Электрометр является достаточно грубым прибором; он не позволяет исследовать силы взаимодействия зарядов. В 1875 г. французский военный инженер Шарль Огюст Кулон установил на опыте закон взаимодействия электрических зарядов. Отметим, что подобный закон можно установить только для точечных зарядов. Для заряженных тел произвольных размеров и форм такой общий закон установить нельзя. Сила их взаимодействия будет зависеть от их размеров, ориентации в пространстве, расстояния и т. д. В своих опытах Кулон измерял силы притяжения и отталкивания заряженных шариков, с помощью сконструированного им прибора – крутильных весов (рис. 1.7), отличавшихся чрезвычайно высокой чувствительностью. Так, например, коромысло весов поворачивалось на 1° под действием силы порядка 10–9 Н.Идея измерений основывалась на блестящей догадке Кулона о том, что если заряженный шарик привести в контакт с точно таким же незаряженным, то заряд первого разделится между ними поровну. Таким образом, был указан способ изменять заряд шарика в два, три и т. д. раз. В опытах Кулона измерялось взаимодействие между шариками, размеры которых много меньше расстояния между ними. Такие заряженные тела принято называть точечными зарядами. Точечным зарядом называют заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.
589915-635
Рис 1.7. Прибор Кулона Рис 1.8. Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов
На основании многочисленных опытов Кулон установил следующий закон:
Силы взаимодействия неподвижных зарядов прямо пропорциональны произведению модулей зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними:
Силы взаимодействия подчиняются третьему закону Ньютона:. Они являются силами отталкивания при одинаковых знаках зарядов и силами притяжения при разных знаках (рис. 1.8). Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Раздел электродинамики, изучающий кулоновское взаимодействие, называют электростатикой. Закон Кулона справедлив для точечных заряженных тел. Практически закон Кулона хорошо выполняется, если размеры заряженных тел много меньше расстояния между ними. Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона зависит от выбора системы единиц. В Международной системе СИ за единицу заряда принят кулон (Кл).Коэффициент k в системе СИ обычно записывают в виде:
где ε0=8,85∙10-12Кл2Н∙м2 – электрическая постоянная. В системе СИ элементарный заряд e равен: e = 1,602177·10–19 Кл ≈ 1,6·10–19 Кл.
По современным представлениям, электрические заряды не действуют друг на друга непосредственно. Каждое заряженное тело создает в окружающем пространстве электрическое поле. Это поле оказывает силовое действие на другие заряженные тела. Электрический заряд создаёт вокруг себя электрическое поле, которое, в свою очередь действует с некоторой силой на другие заряды. Главное свойство электрического поля – действие на электрические заряды с некоторой силой. Таким образом, взаимодействие заряженных тел осуществляется не непосредственным их воздействием друг на друга, а через электрические поля, окружающие заряженные тела.
Электрическое поле, окружающее заряженное тело, можно исследовать с помощью, так называемого пробного заряда – небольшого по величине точечного заряда, который не производит заметного перераспределения исследуемых зарядов.
Для количественного определения электрического поля вводится силовая характеристика напряженность электрического поля.
Напряженностью электрического поля называют физическую величину, являющуюся силовой характеристикой электрического поля и равную отношению силы, с которой поле действует на положительный пробный заряд, помещенный в данную точку пространства, к величине этого заряда:
Напряженность электрического поля – векторная физическая величина. Направление вектора в каждой точке пространства совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд.
Электрическое поле неподвижных и не меняющихся со временем зарядов называется электростатическим. Во многих случаях для краткости это поле обозначают общим термином – электрическое поле
Если с помощью пробного заряда исследуется электрическое поле, создаваемое несколькими заряженными телами, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил, действующих на пробный заряд со стороны каждого заряженного тела в отдельности. Следовательно, напряженность электрического поля, создаваемого системой зарядов в данной точке пространства, равна векторной сумме напряженностей электрических полей, создаваемых в той же точке зарядами в отдельности:
Это свойство электрического поля означает, что поле подчиняется принципу суперпозиции.
В соответствии с законом Кулона напряженность электростатического поля, создаваемого точечным зарядом Q на расстоянии r от него, равна по модулю
Это поле называется кулоновским. В кулоновском поле направление вектора зависит от знака заряда Q: если Q > 0, то вектор направлен по радиусу от заряда, если Q < 0, то вектор направлен к заряду.
Для наглядного изображения электрического поля используют силовые линии. Эти линии проводят так, чтобы направление вектора в каждой точке совпадало с направлением касательной к силовой линии (рис. 1.9). При изображении электрического поля с помощью силовых линий, их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.
Рис 1.9Силовые линии
электрического поля
Силовые линии кулоновских полей положительных и отрицательных точечных зарядов изображены на рис. 1.10. Так как электростатическое поле, создаваемое любой системой зарядов, может быть представлено в виде суперпозиции кулоновских полей точечных зарядов, изображенные на рис. 1.10 поля можно рассматривать как элементарные структурные единицы («кирпичики») любого электростатического поля.
Рис 1.10.Силовые линии кулоновских полей
В качестве примера применения принципа суперпозиции полей на рис. 1.11 изображена картина силовых линий поля электрического диполя – системы из двух одинаковых по модулю зарядов разного знака q и –q, расположенных на некотором расстоянии l.
Рис 1.11.Силовые линии поля электрического диполя
Важным примером системы зарядов является заряженная плоскость. Заряженная плоскость характеризуется величиной плотности заряда. Поверхностная плотность заряда определяется как отношение заряда к площади: σ=qS. Поверхностная плотность заряда – это заряд единицы площади. Поверхностная плотность заряда может меняться от участка к участку. Плоскость, поверхностная плотность которой одинакова на любом участке, называется равномерно заряженной. Вектор напряжённости поля направлен от плоскости, если плоскость заряжена положительно, и к плоскости, если плоскость заряжена отрицательно.
150431592075
Заряженная плоскость создаёт однородное электрическое поле в каждом из полупространств, на которое она разбивает пространство. Напряженность этого поля вычисляется по формулам: E=σ2ε0 (для вакуума), E=σ2ε0ε (в среде с диэлектрической проницаемостью ε)
Потенциалом точки электростатического поля называют отношение потенциальной энергии заряда, помещенного в данную точку, к этому заряду.Согласно данному определению потенциал равен:
30664151279525 Напряженность поляE - векторная величина. Она представляет собой силовую характеристику поля, которая определяет силу, действующую на зарядqв данной точке поля. А потенциал φ- скаляр, это энергетическая характеристика поля; он определяет потенциальную энергию зарядаq в данной точке поля. Если в примере с двумя заряженными пластинами в качестве точки с нулевым потенциалом выбрать точку на отрицательно заряженной пластине (см. рис.1.11), то потенциал однородного поля равен:
-108585173990Подобно потенциальной энергии, значение потенциала в данной точке зависит от выбора нулевого уровня для отсчета потенциала, т. е. от выбора точки, потенциал которой принимается равным нулю. Изменение потенциала не зависит от выбора нулевого уровня отсчета потенциала. Так как потенциальная энергия , то работа сил поля равна:
(1)
Здесь (2) - разность потенциалов, т. е. разность значений потенциала в начальной и конечной точках траектории. Разность потенциалов называют также напряжением. Согласно формулам (1) и (2) разность потенциалов между двумя точками оказывается равной:(3)
Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками – это физическая величина, равная отношению работы поля при перемещении положительного заряда из начальной точки в конечную к величине этого заряда.Если за нулевой уровень отсчета потенциала принять потенциал бесконечно удаленной точки поля, то потенциал в данной точке равен отношению работы электростатических сил по перемещению положительного заряда из данной точки в бесконечность к этому заряду. Единицу разности потенциалов устанавливают с помощью формулы (3). В Международной системе единиц работу выражают в джоулях, а заряд - в кулонах. Поэтому разность потенциалов между двумя точками численно равна единице, если при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж. Эту единицу называют вольтом (В); 1 В = 1 Дж/1 Кл.
Вещество или материальное тело, в котором имеются заряды, способные переносить электрический ток, называется проводником. В металлах переносчиками тока служат свободные (т.е. не привязанные к атомам) электроны, в электролитах — ионы, в плазме — и электроны, и ионы. Для электростатических явлений поле внутри проводника равно нулю. Механизм исчезновения электрического поля в проводниках связан со смещением свободных зарядов ровно настолько, чтобы как раз компенсировать внешнее электрическое поле, если таковое имеется. При изменении внешнего поля свободные заряды в проводнике перераспределяются, а в момент перераспределения в проводнике течет ток.
-5778581915При помещении проводников во внешнее электрическое поле, свободные заряды начинают перемещаться в этом поле, если в объем проводника был дополнительно внесен некоторый заряд, то под действием этого внешнего поля, этот дополнительный заряд распределиться по поверхности проводника.
Таким образом, при электризации проводника сообщенный ему дополнительный заряд оказывается, распределен в области поверхности проводника. Это распределение заряда будет происходить до тех пор, пока при распределении заряда потенциал поля в любой точке проводника не станет одинаковым.
Свойства заряженного проводника во внешнем электрическом поле.
-2101851162051. Электрический потенциал в любой точке объема равен потенциалу в любой точке поверхности проводника.
2. Линии электрического поля перпендикулярны поверхности проводника.
3. При помещении заряда проводника во внешнее электрическое поле внутри объема проводника будет наблюдаться движение зарядов до тех пор, пока суммарное поле внутри объема, обусловленное внешним полем, и поле дополнительного заряда не станет равным нулю.
Эквипотенциальные поверхности огибают проводник, помещенный во внешнее электрическое поле, а одна из них, потенциал которой равен потенциалу проводника, пересекает его.
Для любого проводника существует только одна поверхность, потенциал которой равен потенциалу поверхности проводника.
Диэлектрики это вещества, у которых электроны внешних оболочек атома не могут свободно перемещаться по объему диэлектрика под действием сколь угодно малого внешнего поля. В зависимости от химического строения диэлектрики можно разделить на две группы:
Неполярные диэлектрики – это диэлектрики (парафин, бензол), у которых центры сосредоточения положительных и отрицательных зарядов совпадают.
У неполярных диэлектриков возникающий дипольный момент при наложении внешнего электрического поля является упругим и пропорционален напряженности электрического поля.
Полярные диэлектрики (рис. 1.12,1.13)–диэлектрики, у которых центры сосредоточения положительных и отрицательных зарядов не совпадают.
257111529781571691531115 481965-8326755
Рис. 1.12 Рис. 1.13
В целом нейтральную систему двух зарядов называют электрическим диполем.
Отличительной особенностью полярных диэлектриков является жесткий дипольный момент (к таким диэлектрикам относятся вода, нитробензол и т. д.).
При помещении полярного диэлектрика во внешнее электрическое поле, дипольный момент каждой молекулы будет стремиться развернуться по полю, в тоже время этому процессу препятствует тепловое хаотическое движение, таким образом дипольный момент для полярного диэлектрика является функцией зависимости Е0 от температуры.
В отличие от проводников, в диэлектриках (изоляторах) нет свободных электрических зарядов. Они состоят из нейтральных атомов или молекул. Заряженные частицы в нейтральном атоме связаны друг с другом и не могут перемещаться под действием электрического поля по всему объему диэлектрика.
При внесении диэлектрика во внешнее электрическое поле E0в нем возникает некоторое перераспределение зарядов, входящих в состав атомов или молекул. В результате такого перераспределения на поверхности диэлектрического образца появляются избыточные не скомпенсированные связанные заряды. Все заряженные частицы, образующие макроскопические связанные заряды, по-прежнему входят в состав своих атомов.
Связанные заряды создают электрическое полеE/которое внутри диэлектрика направлено противоположно вектору напряженности E0 внешнего поля. Этот процесс называется поляризацией диэлектрика. В результате полное электрическое поле E=E0+ E/внутри диэлектрика оказывается по модулю меньше внешнего поляE0.
Физическая величина, равная отношению модуля напряженности E0внешнего электрического поля в вакууме к модулю напряженности Eполного поля в однородном диэлектрике, называется диэлектрической проницаемостью вещества.
Существует несколько механизмов поляризации диэлектриков. Основными из них являются ориентационная и электронная поляризации. Эти механизмы проявляются главным образом при поляризации газообразных и жидких диэлектриков.
Проводник, расположенный настолько далеко от всех остальных тел, что взаимодействие зарядов проводника с окружающими телами можно не принимать во внимание, называется уединённым. Потенциал уединённого проводника прямо пропорционален его зарядуφ=qC. Величина С, равная отношению заряда к его потенциалу называется электрической ёмкостью. C=qφ. Электроемкость уединенного проводника зависит только от его формы и размеров, а также от окружающей его диэлектрической среды. Потенциал уединённого шара в вакууме равен: φ=kqR. φ=q4πε0εR. Отсюда C=4πε0εR. Увеличение ёмкости при наличии диэлектрика – важнейший факт диэлектрика. Электроёмкость не зависит от его заряда, она определяется лишь размерами и формой проводника, а также диэлектрической проницаемость среды, окружающий проводник. От вещества проводника ёмкость также не зависит.
Единица измерения емкости в системе СИ называется Фарадой. Фарада (Ф) - это емкость такого уединенного проводника, потенциал которого повышается на 1 Вольт при сообщении ему заряда в 1 Кулон.1 Ф = 1 Кл/1 В.
Конденсатором называют систему двух разноименно заряженных проводников, разделенных диэлектриком (например, воздухом).Величина, характеризующая свойство конденсаторов накапливать и сохранять электрические заряды и связанное с ними электрическое поле называется электроемкостью конденсатора. Электроемкость конденсатора равна отношению заряда одной из пластин Q к напряжению между ними U:C = q/U.В зависимости от формы обкладок, конденсаторы бывают плоскими, сферическими и цилиндрическими. Формулы для расчета емкостей этих конденсаторов приведены в таблице.
Тип конденсатора Схематическое изображение Формула для расчета емкости Примечания
Плоский конденсатор C = εε0S/d S - площадь пластины;d - расстояние между пластинами.
Сферический конденсатор C = 4pεε0R1R2/(R2 - R1) R2 и R1 - радиусы внешней и внутренней обкладок.
Цилиндрический конденсатор C = 2pεε0h/ln(R2/R1) h - высота цилиндров.
На практике конденсаторы часто соединяют в батареи - последовательно или параллельно.
-10096512700При параллельном соединении напряжение на всех обкладках одинаковое U1 = U2 = U3 = U, а емкость батареи равняется сумме емкостей отдельных конденсаторов C = C1 + C2 + C3, q=q1+q2+q3.
При последовательном соединении заряд на обкладках всех -873760137795конденсаторов одинаков q1 = q2 = q3, а напряжение батареи равняется сумме напряжений отдельных конденсаторов U = U1 + U2 + U3.
Емкость всей системы последовательно соединенных конденсаторов рассчитывается из соотношения:1/C = U/q = 1/C1 + 1/C2 + 1/C3.
Емкость батареи последовательно соединенных конденсаторов всегда меньше, чем емкость каждого из этих конденсаторов в отдельности.
Энергия заряженного плоского конденсатораWк равна работеA, которая была затрачена при его зарядке, или совершается при его разрядке.
A = CU2/2 = q2/2С = qU/2 =Wк.Поскольку напряжение на конденсаторе может быть рассчитано из соотношения: U=E*d, где E - напряженность поля между обкладками конденсатора, d - расстояние между пластинами конденсатора, то энергия заряженного конденсатора равна:
Wк=CU2/2=εε0S/2d*E2*d2=εε0S*d*E2/2=εε0V*E2/2,где V - объем пространства между обкладками конденсатора.
Практические занятия:
Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона.
Диэлектрики в электрическом поле. Конденсаторы.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач.
Вопросы для самоконтроля по теме:
Что такое электрический заряд? Какие выводы можно сделать из экспериментов?
Что называется точечным зарядом? Как читается закон Кулона? Для чего служит формула Кулона?
Что называется электрическим полем? Что является силовой характеристикой электрического поля? Что называется напряженностью электрического поля? Каково направление вектора напряженности. Какова размерность? Как графически определить напряженность электрического поля, созданного несколькими точечными электрическими зарядами?
Что является энергетической характеристикой? Что называется потенциалом? В каких единицах он измеряется? Как его определить?
Как определить работу по переносу заряда из одной точки электрического поля в другую? Какие поля называют потенциальными? Что нужно выбрать прежде, чем говорить о значении потенциала в данной точке поля?
Что называется проводником и диэлектриком? Привести примеры.
Что произойдет с проводником, если его внести в электрическое поле?
Что произойдет с диэлектриком, если его внести в электрическое поле?
Какой проводник называют уединённым? Что называют электрической ёмкостью?
Что называется конденсатором? Какие соединения конденсаторов существуют?
Электрическая ёмкость конденсатора, энергия заряженного плоского конденсатора
Тема 3.2. Законы постоянного тока
Основные понятия и термины по теме: электрический ток, постоянный ток, сила тока, сопротивление, удельное сопротивление, электрическая проводимость, последовательное и параллельное соединение, источник тока, ЭДС источника, внутреннее сопротивление, джоулево тепло, работа и мощность электрического тока.План изучения темы:
Постоянный электрический ток. Сила тока, напряжение, электрическое сопротивление.
Виды соединения проводников.
ЭДС источника тока. Законы Ома.
Тепловое действие электрического тока. Закон Джоуля – Ленца.
Работа и мощность электрического тока.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Электрический ток – это любое упорядоченное движение заряженных частиц. Направлением электрического тока принято считать направление, в котором упорядоченно движутся положительные заряды. В металлах в создании электрического тока участвуют свободные электроны. Свободные электроны совершают тепловое движение, средняя скорость которого зависит от температуры. При помещении проводника в электрическое поле на хаотическое движение электронов накладывается упорядоченное движение, т.е. вся совокупность свободных электронов перемещается направленно. Электроны под действием электрического поля движутся ускоренно. Но при столкновении с ионами кристаллической решётки тормозятся, рассеиваются, вновь происходит столкновение и т.д. так как электронов много и рассматривается усреднённое движение, то в целом говорят о равномерном движении электронов. Электролитами называют растворы кислот, солей и щелочей в воде, а также расплавы солей. Перенос заряда в электролитах осуществляется ионами. Ионы возникают в результате взаимодействия молекул растворенного вещества и растворителя, которые представляют собой диполи. Каждую молекулу вещества и растворителя таким образом, что стремятся разорвать её на две части. В результате образуются положительные ионы – катионы и отрицательные ионы – анионы. Распад молекул на противоположно заряженные ионы в результате взаимодействия молекул растворённого вещества называется электролитической диссоциацией. Электрическое поле, создаваемое в растворе электродами, подключенными к источнику тока, вызывает направленное движение ионов. Катионы движутся к катоду, а анионы к положительному полюсу – аноду. Прохождение электрического тока через электролит сопровождается электролизом – выделением на электродах веществ, входящих в состав электролита. Свободные электроны в металлах в металлах и газах, отрицательные ионы в электролитах и газах движутся в направлении, противоположном направлению тока.Силой тока называется скалярная физическая величина, называемая количественная характеристика электрического тока и равная отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения: I=∆q∆t. I=А. Постоянным называется электрический ток, сила тока и напряжение которого не меняются с течением времени. Сила тока может быть измерена прибором, называемым амперметром. Знание силы тока позволяет определить скорость, с которой осуществляется дрейф электронов в проводнике с током: v=IneSI=vneS илиI=vnqS , n – концентрация зарядов, e (q) – элементарный заряд, v – скорость дрейфа,S – площадь поперечного сечения проводника.
Количественной характеристикой проводника является сопротивление. Электрическое сопротивление – физическая величина, характеризующая противодействие участка электрической цепи электрическому току и прямо пропорциональная его удельному сопротивлению и длине и обратно пропорционально площади его поперечного сечения. R=ρlS. Формула справедлива для однородного проводника постоянного сечения.R=Ом.
Сопротивление металлического проводника вызвано взаимодействием свободных электронов с ионами кристаллической решётки. Сопротивление металлического проводника зависит от его геометрических размеров, материала проводника, а также температуры. Скалярная физическая величина, численно равная сопротивлению цилиндрического проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения, называется удельным сопротивлением проводника ρ.ρ=Ом∙мм2м. Удельное сопротивление проводника зависит от температуры: ρ=ρ0∙1+αt, где α – температурный коэффициент сопротивления, ρ0 – удельное сопротивление при 00С, t – температура по шкале Цельсия. Рост сопротивления металлического проводника при увеличении температуры объясняется тем, что возрастает средняя скорость движения свободных электронов и вместе с тем возрастает скорость колебаний ионов в узлах кристаллической решётки, следовательно, увеличивается число столкновений электронов с ионами, и поэтому сопротивление проводника также возрастает.
444500713740Величина, обратная сопротивлению, называется проводимостью. В электрических цепях применяют различные способы соединения сопротивлений: последовательное, параллельное и смешанное. Последовательным называется соединение проводников, которые включены в цепь поочередно друг за другом без разветвлений.
При таком соединении проводников: сила тока во всех участках цепи одинакова: I1=I2=I3=I; падение напряжения в цепи равно сумме падений напряжений на отдельных участках: U=U1+U2+U3; общее сопротивление цепи, состоящей из последовательно соединённых проводников, равно сумме сопротивлений отдельных проводников: Rобщ=R1+R2+R3.В частности, если сопротивления всех проводников одинаковы и равны R, то их общее сопротивление Rобщ=nR, где n— количество последовательно соединенных проводников.
-19685326390Параллельным называется соединение, при котором начала проводников соединяются в один узел, а их концы – в другой.
При таком типе соединения: сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов, текущих в разветвленных участках цепи: I=I1+I2+I3; падение напряжения на всех параллельно соединённых проводниках одинаково: U1=U3=U; величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям всех параллельно включённых проводников:1Rобщ=1R1+1R2+1R3 или Rобщ=R1∙R2∙R3R2∙R3+R1∙R3+R1∙R2. В частности, если сопротивления всех проводников одинаковы и равны R, то их общее сопротивлениеRобщ=Rn, где n — количество параллельно соединенных проводников.Для существования электрического тока необходимо наличие электрического поля в проводнике. Прибор, обеспечивающий существование в проводнике разности потенциалов, называется источником тока. В нём происходит разделение зарядов разных знаков под действием сил неэлектрической природы: химических, механических, термоэлектрических и других. Количественной характеристикой источника тока является электродвижущая сила ЭДС. Электродвижущая сила – физическая величина, являющаяся энергетической характеристикой источника тока и численно равная отношению работы стороннего поля по переносу заряда вдоль замкнутой цепи, к величине этого заряда: ε=Aстq. ε=В. Не потенциальное поле, способное компенсировать потери энергии, вызванные выделением джоулева тепла, называется сторонним полем. Основные законы постоянного тока были установлены в 1826—1827 гг. немецким ученым Георгом Омом и потому носят его имя. Экспериментально установленную зависимость силы тока от напряжения и электрического сопротивления участка цепи называют законом Ома для участка цепи: I=UR. Сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению участка цепи.
Электрическое сопротивление источника тока называется внутренним сопротивлением источника тока. Закон Ома для полной цепи, состоящей из источника с ЭДС и внутренним сопротивлением и внешнего сопротивления: Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна ее полному сопротивлениюI=εR+r.
Рассмотрим теперь два предельных случая, когда внешнее сопротивление оказывается либо очень большим, либо, наоборот, пренебрежимо малым.
(или R>>r). Подобная ситуация бывает при отключенной внешней цепи, т. е. когда полюсы источника тока разомкнуты и между ними существует воздушный зазор, через который ток не идет. Подставив значение I=0 в (3), мы получим, что в этом случае U=ε. Это означает, что напряжение на полюсах разомкнутого источника тока равно его ЭДС.
(или R<<r). Подобная ситуация встречается при коротком замыкании. В этом случае сила тока увеличивается до величины Iк=εr, которая может превысить допустимое для данной цепи значение. Резкое увеличение силы тока при коротком замыкании может привести к большому выделению тепла. Провода могут расплавиться или сильно накалиться и стать причиной пожара, источник тока при этом может выйти из строя. Чтобы избежать этого, применяют предохранители.
Под действием поля электроны в проводнике направленно перемещаются противоположно направлению напряженности. При движении электроны сталкиваются с ионами кристаллической решётки и часть кинетической энергии электронов, согласно закону сохранения и превращения энергии, превращается в энергию колебательного движения ионов в узлах кристаллической решётки, т.е. возрастает внутренняя энергия проводника, проводник нагревается. Количество теплоты, выделяющееся в проводнике с течением времени при протекании в нём тока определяется законом Джоуля – Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения по нему тока Q=I2Rt.Впервые этот закон был открыт экспериментальным путем английским физиком Джеймсом Прескоттом Джоулем (1841) и независимо от него русским ученым Эмилем Xристиановичем Ленцем (1842). Поэтому его называют законом Джоуля — Ленца, а количество теплоты, выделяющееся в проводнике с током,— джоулевым теплом.
Закон Джоуля — Ленца имеет универсальный характер. Записанный в виде формулыQ=I2Rt, он оказывается справедливым не только для металлических, но и для любых других проводников (в том числе жидких), причем при наличии не только потенциального электрического поля, но и так называемых сторонних сил не электростатической природы, которые действуют внутри источников тока.Под работой тока понимают работу, совершаемую всеми действующими на заряд силами поля при перемещении электрического заряда в цепи. Физический смысл работы: работа электрического тока показывает, какая работа была совершена электрическим полем при перемещении зарядов по проводнику. Согласно определениям напряжения и силы тока A=IUt. Подставив сюда значение напряжения, имеем A=I2Rt. Единицей работы электрического тока в СИ является джоуль (Дж). Мощность тока– физическая величина, показывающая работу тока, совершенную в единицу времени и равная отношению совершенной работы ко времени, в течение которого эта работа была совершена:P=At (1) .
Подставляя в формулу (1) выражение для работыA=Iε, мы получим, что полная мощность тока в замкнутой цепиP0=Iε. Эта мощность частично выделяется на внешней цепи (иногда ее называют полезной мощностью), частично — на внутреннем сопротивлении (потери мощности):P0=P+∆P.
Полезная мощность (Р) выделяется на внешнем сопротивлении, где действует стационарное электрическое поле. Работа этого поля находится по формуле: A=qU, или, так как q=It, A=IUt. Подставив это выражение в (1), получим:P=UI. Заменив здесь напряжение на U=IR или силу тока на I=U/R, можно получить еще две формулы:P=I2R=U2R. Потери мощности (ΔР), вызванные нагреванием источника тока, находят по формулеΔР=I2r. Складывая полезную мощность P=I2R с потерями ΔР=I2r, получаем полную мощность в видеP0=I2∙R+r.
Отношение полезной мощности к полной определяет коэффициент полезного действия (КПД) источника тока: η=PP0=I2RI2∙R+r=RR+r.Полезная мощность максимальна в том случае, когда сопротивление нагрузки равно внутреннему сопротивлению источника тока. В этом состоит так называемое условие согласования нагрузки и источника.
Практические занятия:
Сила тока, напряжение, электрическое сопротивление. Закон Ома для участка цепи.
Закон Ома для полной цепи. Последовательное соединение проводников.
Параллельное соединение проводников. Тепловое действие электрического тока.
Лабораторные работы:
Изучение закона Ома для участка цепи.
Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради.
3. Составление отчётов лабораторных работ.
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач и отчётов лабораторных работ.
Вопросы для самоконтроля по теме:
Что такое электрическимтоком? Что принято за направление электрического тока? Что является носителями электрического заряда в металлах, электролитах? Какой электрический ток называется постоянным?
Какая величина называется силой тока? Что называется электрическим сопротивлением? Какое сопротивление называется удельным?
Перечислите виды соединения проводников? Дайте характеристику каждому виду соединения.
Что называется источником тока? Что является энергетической характеристикой источника тока? Дайте определение этой характеристики.
Сформулируйте законы Ома.Что произойдет в электрической цепи при очень большом сопротивлении, при очень малом сопротивлении?
Сформулируйте закон Джоуля-Ленца. Для каких проводников справедлив этот закон? Что называется джоулевым теплом?
Какую работупонимают под работой электрического тока?
Что называется мощностью электрического тока? Какая мощность называется полной, полезной? Чем вызваны потери мощности?
Как вычислить КПД источника тока? В каком случае полезная мощность максимальна?
Тема 3.3. Электрический ток в полупроводниках
Основные понятия и термины по теме: полупроводники, электронная проводимость, дырочная проводимость, собственная проводимость, примесная проводимость, акцепторные и донорные примеси, проводники р-типа и n-типа, р-n-переход, транзисторы.
План изучения темы:
Полупроводники. Собственная и примесная проводимости полупроводников.
Полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Полупроводники, широкий класс веществ, характеризующихся значениями электропроводности s, промежуточными между электропроводностью металлов (106—104ом-1см-1) и хороших диэлектриков (10-10—10-12ом-1см-1, электропроводность указана при комнатной температуре). Полупроводники — это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличием примесей, изменением освещенности. К числу полупроводников относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и другие), огромное количество сплавов и химических соединений (арсенид галлия и др.). Почти все неорганические вещества окружающего нас мира — полупроводники. Самым распространённым в природе полупроводником является кремний, составляющий почти 30 % земной коры. Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы устанавливают ковалентные связи, то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами. 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 электронный ток проводимости. Проводимость полупроводников, обусловленную наличием у них свободных электронов 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 электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеличивается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда увеличивается от 1017 до 1024 на каждый кубический метр. Это приводит к уменьшению сопротивления.
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 электронов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном — «дырки». Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда. При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» — дырочный ток проводимости.
Проводимость чистых полупроводников, возникающая при их нагревании или освещении, называется собственной проводимостью.
Однако возможен еще один тип проводимости в полупроводниках. Ее можно обеспечить примесями, внедряемыми в полупроводник. Проводимость полупроводников, вызванная электронами примесных атомов, называется примесной проводимостью. Причем надо сказать, что различают электронную примесную проводимость и дырочную примесную проводимость Если внедрить в полупроводник примесь с валентностью большей, чем у собственного полупроводника, то образуется донорный полупроводник.(Например, при внедрении в кристалл кремния пятивалентного мышьяка. Один из пяти валентных электронов мышьяка остается свободным). В донорном полупроводнике электроны являются основными, а дырки неосновными носителями заряда. Такие полупроводники называют полупроводниками n- типа, а проводимость электронной.Если внедрять в полупроводник примесь с валентностью меньшей, чем у собственного полупроводника, то образуется акцепторный полупроводник. (Например, при внедрении в кристалл кремния трехвалентного индия. У каждого атома индия не хватает одного электрона для образования парноэлектронной связи с одним из соседних атомов кремния. Каждая из таких незаполненных связей является дыркой). В акцепторных полупроводниках дырки являются основными, а электроны неосновными носителями заряда. Такие полупроводники называются полупроводниками p- типа, а проводимость дырочной.
Опыты показывают, что при нагревании электрическое сопротивление полупроводниковых кристаллов уменьшается. Уменьшение электрического сопротивления полупроводников при нагревании объясняется тем, что с повышением температуры кристалла число освобождающихся электронов увеличивается, концентрация свободных электронов в кристалле возрастает.
В большинстве полупроводниковых приборов используется контакт полупроводников с разными типами примесной проводимости. Если одна область полупроводникового кристалла имеет электронную проводимость, а другая — дырочную, то на границе между ними возникаетслой, называемый электронно-дырочным переходом. Поскольку слой образуется в месте контакта р- и n-областей полупроводника, то иначе его называют р — n-переходом. При образовании такого контакта хаотически движущиеся электроны
из n-области (где их много) начинают диффундировать в р-область (где их мало), а дырки, наоборот, из р-области — в n-область. В результатеэтого n-область в электронно-дырочном переходе приобретает положительный заряд (образованный оставшимися там не скомпенсированными положительными ионами донора), а р-область — отрицательный (создаваемый там оставшимися некомпенсированными отрицательными ионами акцептора). Двойной слой этих зарядов (так называемый запирающий слой) создает электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии основных носителей тока (рис. 138) (слайд).
Путем включения полупроводника с электронно-дырочным переходом в электрическую цепь поле запирающего слоя можно либо ослабить, либо усилить. В соответствии с этим различают прямое и обратное включение.
Прямое включение. В этом случае р-область полупроводника подключается к положительному полюсу источника тока, а n-область — к отрицательному (рис. 139) (слайд). Под действием внешнего электрического поля поле запирающего слоя при этом ослабляется, и через электронно-дырочный переход начинают двигаться основные носители тока: из n- в р-область — электроны, а из р- в n-область — дырки. Поскольку основных носителей в полупроводнике много, через р—n-переход может идти значительный ток. Сопротивление перехода при прямом включении невелико.
Обратное включение. В этом случае р-область полупроводника подключается к отрицательному полюсу источника, а n-область — к положительному (рис. 140) (слайд). Под действием внешнего электрического поля поле запирающего слоя при этом усиливается, и через электронно-дырочный переход смогут теперь идти лишь неосновные носители тока: из n- в р-область — дырки, а из р- в n-область — электроны. Но в р-области мало свободных электронов, а в n-области мало дырок. Поэтому ток через р — n-переход при обратном включении оказывается пренебрежимо малым. Итак, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью: он пропускает ток в одном направлении и не пропускает его в другом. Это свойство используется в выпрямителях переменного тока.
Терморезисторы. Так называют полупроводниковые приборы, действие которых основано на явлении зависимости их электрического сопротивления от температуры. Сопротивление терморезисторов при нагревании от -50 до +l00°C изменяется на несколько порядков. Это позволяет использовать их для дистанционного измерения температуры, в устройствах противопожарной сигнализации и т.д. Терморезисторы выпускаются в виде стержней, трубок, дисков, шайб и бусинок. (слайд)
Фоторезисторы. Так называют полупроводниковые приборы, действие которых основано на явлении изменения их электрического сопротивления под действием света. Их используют для регистрации и измерения слабых световых потоков, для обнаружения инфракрасных лучей, в различных автоматических устройствах, служащих для подсчета изделий, контроля их размеров и т.д. Например, при подсчете изделий движущиеся на конвейере детали периодически пересекают световой луч, направленный на фоторезистор. Возникающие при этом периодические изменения силы тока в цепи с фоторезистором управляют работой специального механизма, который и производит подсчет деталей. (слайд)
Полупроводниковый диод. Так называют полупроводниковый прибор с одним р—n-переходом и двумя выводами для включения в электрическую цепь. Основным рабочим элементом диода является кристалл германия (или кремния), обладающий проводимостью n-типа за счет небольшой добавки донорной примеси. Для создания в нем р— n-перехода в одну из его поверхностей вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия в нем образуется область р-типа. Остальная часть германия, в которую атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n-типа. Между этими двумя областями и возникает р — n-переход. Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический корпус. (слайд) Достоинствами полупроводниковых диодов являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность; недостатком — зависимость их параметров от температуры.
Полупроводниковый триод (транзистор). Так называют полупроводниковый прибор с двумя р—n-переходами и тремя выводами для включения в электрическую цепь. Существуют два основных класса транзисторов — униполярные и биполярные транзисторы.
Практические занятия:
Собственная и примесная проводимости полупроводников. Полупроводниковый диод. Транзистор.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради.
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач и отчётов лабораторных работ.
Вопросы для самоконтроля по теме:
Что собой представляет полупроводник? Почему при низких температурах они ведут себя как диэлектрики?
Какую примесь называют акцепторной? Донорной?
Какой проводимостью обладает полупроводник р-типа? n-типа?
Тема 3.4. Магнитное поле. Электромагнитная индукция.
Основные понятия и термины по теме: электродинамическое взаимодействие, магнитная индукция, магнитный поток, линией магнитной индукции, электродвигатель, электроизмерительные приборы, магнитный поток, электромагнитная индукция, ЭДС индукции, вихревое электрическое поле, самоиндукция, индуктивность. План изучения темы:
Магнитное поле. Сила Ампера. Принцип действия электродвигателя. Электроизмерительные приборы.
Индукция магнитного поля. Магнитный поток.
Явление электромагнитной индукции и закон электромагнитной индукции Фарадея.
Вихревое электрическое поле. Правило Ленца. Самоиндукция. Индуктивность.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Явления взаимного притяжения разноименных и отталкивания одноименных электрических зарядов во многом сходны с явлениями притяжения разноименных и отталкивания одноименных полюсов магнита. Однако установить связь между электрическими и магнитными явлениями не удавалось. В 1820 г. датский физик Ханс Эрстед (1777—1851) обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее. В том же году французский физик Андре Ампер (1775—1836) установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкиваются, если токи имеют противоположные направления. Явление взаимодействия электрических токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием. На основании своих опытов Ампер пришел к выводу, что взаимодействие тока с магнитом и магнитов между собой можно объяснить, если предположить, что внутри магнита существуют незатухающие молекулярные круговые токи. Тогда все магнитные явления объясняются взаимодействием движущихся электрических зарядов, никаких особых магнитных зарядов в природе нет. Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов согласно представлениям теории близкодействия объясняется следующим образом. Всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле непрерывно в пространстве и действует на другие движущиеся электрические заряды. Магнитное поле - особый вид материи, существующий вокруг движущихся электрических зарядов (в том числе вокруг проводника с током), который можно обнаружить с помощью магнитной стрелки (или железных опилок) или по его действию на проводник с током.
Магнитное поле способно действовать только на движущуюся заряженную частицу. Это объясняется тем, что магнитная сила Лоренца зависит от скорости движения частицы:
5257800894715Согласно определению векторного произведения модуль силы Лоренца равен произведению модуля заряда частицы, ее скорости, магнитной индукции и синуса угла между векторами v и В: . Направлена магнитная сила Лоренца всегда перпендикулярно векторам у и В в ту сторону, куда перемещался бы буравчик в случае кратчайшего поворота его рукоятки от vк В. Другое правило для определения направления этой силы называют правилом левой руки:
если расположить левую ладонь так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление движения положительного заряда, а вектор магнитного поля входил в ладонь, то отставленный большой палец покажет направление магнитной силы, действующей на данный заряд (рис.).
Поскольку магнитная сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости движения частицы, то работу она не совершает: А=0. Подстановка этого значения в теорему о кинетической энергии приводит к равенству . Это означает, что магнитное поле не может изменить абсолютное значение скорости частицы. Скорость частицы в магнитном поле может изменяться только по направлению.
Как и электрическое, магнитное поле может быть однородным и неоднородным. В однородном магнитном поле вектор В во всех точках один и тот же. Силовые линии такого поля параллельны и расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Исследуем движение заряженной частицы в постоянном и однородном магнитном поле. Если скорость движения частицы невелика, то в соответствии со вторым законом Ньютона ее уравнение движения будет иметь вид, или для модулей . Рассмотрим несколько частных случаев.
1.Частица влетает в магнитное поле параллельно его силовым линиям. В этом случаеа=0, sinα=0 и FM=0. Это означает, что сила Лоренца на частицу не действует, и потому частица будет продолжать двигаться равномерно и прямолинейно с той скоростью, которая у нее была.
2.Частица влетает в магнитное поле перпендикулярно его силовым линиям. В этом случае α=90°, sin α = 1 и . Уравнение движения частицы принимает вид (1). Поскольку сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, она будет сообщать частице центростремительное ускорение (2), заставляя ее двигаться по окружности радиуса R. Подстановка выражения (2) в уравнение (1) дает . Отсюда можно найти радиус окружности, по которой будет двигаться частица: и ее период обращения: . Из полученных соотношений видно, что, чем больше скорость частицы, тем больше радиус окружности, по которой она движется; период же обращения ни от скорости, ни от радиуса окружности не зависит.
3. Частица влетает в магнитное поле под острым (или тупым) углом к вектору В.В этом случае движение частицы будет происходить по винтовой линии, охватывающей силовые линии магнитного поля.
Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера. Экспериментальное изучение магнитного взаимодействия показывает, что модуль силы Ампера пропорционален длине l проводника с током и зависит от ориентации проводника в магнитном поле. Согласно современной формулировке этого закона: Сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него отрезок проводника с током, равна произведению индукции этого поля В, силы тока I, длины отрезка проводника I и синуса угла а между направлениями тока и магнитной индукции, .
Направлена сила Ампера перпендикулярно проводнику с током и вектору магнитной индукции в сторону, определяемую правилом левой руки. Применительно к силе Ампера это правило звучит так: если расположить левую ладонь так, чтобы четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, а силовые линии магнитного поля входили в ладонь, то отставленный большой палец покажет направление силы, действующей на проводник с током.
Причиной появления силы Ампера является действие на каждый носитель тока в проводнике магнитной силы Лоренца.
Электродвигатель преобразует электроэнергию в энергию механического движения. Так же как и электрический генератор электродвигатель состоит обычно из статора и ротора, относясь к вращающимся электрическим машинам. Выпускаются однако, двигатели у которых движущаяся часть совершает линейное (обычно прямолинейное движение (линейные двигатели). Электроизмерительные приборы — класс устройств, применяемых для измерения различных электрических величин. В группу электроизмерительных приборов входят также кроме собственно измерительных приборов и другие средства измерений — меры, преобразователи, комплексные установки. К ним относятся амперметр переменного тока, вольтметр переменного тока, омметр, мультиметр (тестер).
51898551873250Для характеристики способности магнитного поля оказывать силовое действие на проводник с током вводится векторная величина — магнитная индукция.Силовое действие магнитного поля может обнаруживаться по действию силы Ампера на прямолинейный проводник с током и по вращающему действию на замкнутый контур. При исследовании магнитного поля с помощью прямолинейного проводника с током магнитная индукция определяется следующим образом: модуль магнитной индукции равен отношению максимального значения модуля силы Ампера , действующей на проводник с током, к силе тока I в проводнике и его длине l:
.
Для определения направления вектора индукции используется правила правой руки:
Если большой палец правой руки расположить по направлению тока, то направление обхвата проводника четырьмя пальцами покажет направление линий магнитной индукции.
4482465377825Если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.
Правило буравчика:
если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.
Единица индукции в этом случае определяется как индукция такого магнитного поля, в котором на 1 м проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта единица называется тесла (Тл) в честь выдающегося югославского электротехника Николы Тесла (1856—1943).
.
Линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной, называется линией магнитной индукции. Если во всех точках некоторой части пространства вектор индукции магнитного поля имеет одинаковое значение по модулю и одинаковое направление, то магнитное поле в этой части пространства называется однородным.
Линии магнитной индукции магнитного поля прямого проводника с током представляют собой окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных проводнику. Центры окружностей находятся на оси проводника. Вектор магнитной индукции характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Величина, характеризующая магнитное поле во всех точках поверхности, ограниченной 5377815793115плоским замкнутым контуром и равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь и косинус угла между векторами магнитной индукции и нормалью к плоскости контура: Ф=BScosα.
Произведение Bcosα=Bnпредставляет собой проекцию вектора магнитной индукции на нормаль n к плоскости контура. Поэтому Ф=BnS. Магнитный поток тем больше, чем больше проекция вектора магнитной индукции на нормаль n к плоскости контура и площадь этого конура. Магнитный поток графически можно истолковать как величину, пропорциональную числу линий магнитной индукции, пронизывающих поверхность площадью S.Ф=Вб. Магнитный потокв 1 вебер создаётся однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции.
В 1831 году Майкл Фарадей обнаружил, что при изменении магнитного поля в катушке из проводника возникает электрический ток. Это явление назвали электромагнитной индукцией.
47752001270Электромагнитная индукция – явление возникновения электрического тока в катушке из проводника при изменении магнитного поля. Электрический ток, возникающий в результате электромагнитной индукции, назвали индукционным током.
571516510Опыты показали, что индукционный ток в катушке можно получить различными способами: можно вдвигать магнит в катушку или выдвигать его из катушки, можно надевать катушку на магнит или снимать ее с магнита (рис).Индукционный ток может возникать и при отсутствии какого-либо механического движения. Достаточно поместить две катушки рядом и одну из них соединить с источником тока. Если магнитное поле тока первой катушки пронизывает вторую катушку перпендикулярно плоскостям ее витков, то при любых изменениях тока в первой катушке возникает индукционный ток во второй катушке. Появление индукционного тока в замкнутой электрическом цепи катушки при любых изменениях магнитного поля означает, что при изменениях магнитного поля внутри катушки на электрические заряды в проводе действуют силы не электростатической природы, так как работа электростатических сил по любому замкнутому контуру равна нулю. Работу этих сторон них сил характеризуют электродвижущей силой индукции. При всяком изменении магнитного потока через проводящий замкнутый контур в этом контуре возникает электрический ток. I зависит от свойств контура (сопротивление):. не зависит от свойств контура: .ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром.ЭДС не является силой в Ньютоновом смысле (неудачное название величины, сохраненное как дань традиции). 4707890154940εiвозникает при изменении магнитного потока Ф, пронизывающего контур.
- ЭДС индукции.
- ЭДС индукции в контуре, содержащем N left205740витков провода.
- ЭДС индукции при движении одного из проводников контура (так, чтобы менялся Ф). В этом случае проводник длиной l, движущийся left201930со скоростью v становится источником тока.
- ЭДС индукции в контуре, вращающемся в магнитном поле со скоростью ω.
Причина возникновения электрического тока в неподвижном проводнике - электрическое поле. Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток. Индукционное электрическое поле является вихревым. Направление силовых линий вихревого эл. поля совпадает с направлением индукционного тока. Индукционное электрическое поле имеет совершенно другие свойства в отличие от электростатического поля. Опыт показывает, что направление индукционного тока всегда определяется общим правилом, называемым правилом Ленца: индукционный ток имеет такое направление, что созданное им магнитное поле оказывает компенсирующее действие на изменение магнитного поля, вызывающее данный индукционный ток, препятствует происходящим изменениям магнитного поля.Экспериментально установлено, что индукция магнитного поля в каждой точке пространства вокруг проводника с током пропорциональна силе тока в нем. Отсюда следует, что магнитный поток через контур прямо пропорционален силе тока в проводнике:
(8)
Коэффициент пропорциональности Lмежду силой тока Iи магнитным потоком Ф через контур называется индуктивностью контура. Индуктивность – это физическая величина, зависящая от площади, охватываемой контуром, формы контура, свойств среды, в которой находится контур. Единица индуктивности в Международной системе называется генри (Гн). Из выражения (8) следует: (9) . Контур, в котором электрический ток силой 1 ампер создает магнитный поток 1 вебер, обладает индуктивностью 1 генри.
Согласно закону электромагнитной индукции изменение магнитного потока через контур индуктивностью Lв результате изменения силы тока в контуре ΔIдолжно вызвать появление ЭДС индукции, равной
(10)
Явление возникновения ЭДС индукции, вызванной изменениями силы тока в самом контуре, называется самоиндукцией. Из выражения (10) можно дать еще одно определение единицы индуктивности: индуктивностью 1 генри обладает контур, в котором при равномерном изменении силы тока на 1 ампер за 1 секунду возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт. По правилу Ленца ЭДС самоиндукции при уменьшении силы тока в контуре действует в направлении поддержания силы тока неизменной, при увеличении силы тока в контуре ЭДС самоиндукции препятствует увеличению силы тока.
Работа ЭДС самоиндукции совершается за счет энергии W магнитного поля контура, следовательно, энергия магнитного поля контура индуктивностью Lс током I равна.
Практические занятия:
Опыт Эрстеда. Взаимодействие проводников с токами. Электродвигатель. Электроизмерительные приборы.
Индукция магнитного поля. Магнитный поток.
Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции.
Самоиндукция. Зависимость ЭДС самоиндукции от скорости изменения силы тока и индуктивности проводника, правило Ленца
Лабораторные работы:
Изучение явления электромагнитной индукции.
Измерение индуктивности катушки.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради.
3. Составление отчётов лабораторных работ.
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач и отчётов лабораторных работ.
Вопросы для самоконтроля по теме:
Что такое электродинамическим взаимодействием? Что магнитным полем? Как можно обнаружить магнитное поле? Какая сила называется силой Лоренца? В чем заключается правило левой руки?
Какая величина называется силой Ампера? В чем заключается закон Ампера? Что называется электроизмерительными приборами? Что собой представляет электродвигатель?
Какие линии называются линиями магнитной индукции? Сформулируйте правила правой руки и буравчика. Что называется магнитным потоком? Единицы измерения магнитного потока?
Какое явление называется электромагнитной индукцией? Сформулируйте закон электромагнитной индукции.
Сформулируйте правило Ленца. Что называется индуктивностью? Единицы измерения индуктивности, её обозначение.
Тема 3.5. Электромагнитные колебания.
Основные понятия и термины по теме: переменный ток, трансформатор, коэффициент трансформации, идеальны и реальный колебательный контур, электромагнитные колебания, свободные электромагнитные колебания, вынужденные электромагнитные колебания, ёмкостное, индуктивное и реактивное сопротивления, электрический резонанс.
План изучения темы:
Принцип действия электрогенератора. Переменный ток. Трансформатор.
Производство, передача и потребление электроэнергии. Проблемы энергосбережения. Техника безопасности в обращении с электрическим током.
Колебательный контур. Свободные электромагнитные колебания. Вынужденные электромагнитные колебания. Действующие значения силы тока и напряжения.
Конденсатор и катушка в цепи переменного тока. Активное сопротивление. Электрический резонанс.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Электрогенератор – устройство, преобразующее механическую и другие виды энергии в электрическую. В энергетике пользуются только вращающимися электромашинными генераторами, основанными на возникновении электродвижущей силы (ЭДС) в проводнике, на который каким-либо образом действует изменяющееся магнитное поле. Принцип действия генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Основным элементом генератора электрического тока является рамка, которую вращают в магнитном поле. При этом пронизывающий рамку магнитный поток изменяется во времени, вследствие чего в рамке возникает индукционный ток. При равномерном вращении в рамке индуцируется переменный электрический ток. Переменный ток получают на электростанциях, преобразуя с помощью генераторов механическую энергию в электрическую. Генераторы и двигатели переменного тока более просты по устройству, надежней в работе и проще в эксплуатации по сравнению с машинами постоянного тока.
Переменным током называется электрический ток, сила которого каким-либо образом меняется со временем. Обычный способ получения переменного тока заключается в том, что при вращении рамки в однородном магнитном поле в ней возникает электродвижущая сила, которая по закону Фарадея равна
.
Если рамка вращается в магнитном поле с частотой , то поток вектора магнитной индукции через поверхность, ограниченную контуром рамки, меняется со временем по закону:
,
где – максимальное значение потока вектора индукции через плоскость контура. Возникающая при этом электродвижущая сила равна
.
Величина называется амплитудой электродвижущей силы и представляет ее наибольшее значение.Электродвижущая сила максимальна, когда угол . В этом положении поток равен нулю, а скорость изменения магнитного потока максимальна. Когда, поток максимален, а электродвижущая сила равна нулю. За один период электродвижущая сила дважды меняет знак. Периодически действующая электродвижущая сила вызывает в замкнутом проводнике переменный ток, также изменяющийся по периодическому закону.
48044101767205Основное преимущество переменного тока по сравнению с постоянным заключается в возможности с помощью трансформаторов повышать или понижать напряжение, с минимальными потерями передавать электрическую энергию на большие расстояния. Уже второй век человечество использует электрический ток в промышленных масштабах. И всё это время используется в основном переменный ток. Как мы уже сказали, переменный ток вырабатывают генераторы переменного тока, которые находятся на электростанциях. Например, электрогенераторы гидроэлектростанций вырабатывают ток напряжением 10-20 кВ. Но по проводам выгодно передавить ток напряжением 100-1000 кВ. К двигателям станков на предприятиях подводиться напряжение 380-660 В. В нашей осветительной сети напряжение 220 В. Следовательно, возникает потребность в преобразовании электрического тока одного напряжения в ток другого напряжении.
Трансформатор – устройство, применяемое для повышения или понижения напряжения переменного тока.
30 ноября 1876 года, дата получения патента Яблочковым Павлом Николаевичем, считается датой рождения первого трансформатора. Это был трансформатор с разомкнутым сердечником, представлявшим собой стержень, на который наматывались обмотки.
При подаче в первичную обмотку переменного напряжения, во вторичной обмотке индуцируется ЭДС той же частоты. Если ко вторичной обмотке подключить некоторый электроприемник, то в ней возникает электрический ток и на вторичных зажимах трансформатора устанавливается напряжение, которое несколько меньше, чем ЭДС и в некоторой относительно малой степени зависит от нагрузки. Отношение первичного напряжения ко вторичному (коэффициент трансформации) приблизительно равно отношению чисел витков первичной и вторичной обмоток. Для любого трансформатора отношение напряжений первичной U1 и вторичной U2 обмоток при холостом ходе приблизительно равно отношению чисел их витков:, (1)
где w1 и w2 – соответственно число витков первичной и вторичной обмоток.
Отношение (1) принято называть коэффициентом трансформации.
Если напряжение вторичной обмотки больше чем подведенное к первичной, то трансформатор называют повышающим; в противном случае, когда вторичное напряжение меньше первичного, - понижающим. Один и тот же трансформатор можно использовать в качестве понижающего и повышающего. Значение коэффициента трансформации, указанное в паспорте трансформатора, определено как отношение высшего напряжения к низшему.
Мощности в первичных и во вторичных обмотках примерно равны между собой. Таким образом, для однофазного трансформатора
(2),
где I1 и I2 – соответственно ток в первичной и во вторичной обмотках.
Тогда коэффициент трансформации:
(3),
Следовательно, токи в обмотках трансформатора обратно пропорциональны напряжениям, а значит, и числам витков. Поэтому обмотку высшего напряжения всегда делают из большего числа витков провода меньшего сечения, тогда как обмотку низшего напряжения выполняют из меньшего числа витков провода большего сечения.
Любой КПД определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой. Учитывая, что работа равна отношению мощности ко времени, для трансформатора можно записать формулу КПД через мощность:
η = P2 / P1
Так как КПД трансформатора примерно 94-98%, то Р2 немного меньше чем Р1.
Во сколько раз трансформатор увеличивает напряжение переменного тока, во столько же раз уменьшается сила тока.
По числу фаз трансформаторы разделяют на однофазные и трехфазные. По назначению различают силовые (предназначенные для передачи и распределения электрической энергии) и специальные (сварочные, измерительные, печные, испытательные, инструментальные и т. д.) трансформаторы.По способу охлаждения классификация такова: трансформаторы с воздушным, масляным, а также с масляным и принудительным воздушным охлаждением.
Производится электроэнергия на больших и малых электрических станциях в основном с помощью электромеханических индукционных генераторов. Существует два основных типа станций: тепловые и гидроэлектрические. Различаются эти электростанции двигателями, вращающими роторы генераторов. На тепловых электростанциях источником энергии является топливо: уголь, нефть, мазут, горючие сланцы. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение паровыми и газовыми турбинами или двигателями внутреннего сгорания. КПД ТЭЦ достигает 60-70%. В настоящее время в России ТЭЦ дают около 40% всей электроэнергии снабжают электроэнергией и снабжают электроэнергией и теплом сотни городов. На гидроэлектростанциях для вращения роторов используется потенциальная энергия воды. Роторы электрических генераторов приводятся во вращение гидравлическими турбинами. Гидростанции дают около 20% всей вырабатываемой в нашей стране электроэнергии. Значительную роль в энергетике играют атомные электростанции. В настоящее время АЭС в России дают электроэнергии. Главным потребителем электроэнергии является промышленность, на долю которой приходится около 70% производимой электроэнергии. Крупным потребителем является также транспорт. Все большее количество железнодорожных линий переводится на электрическую тягу. Все деревни и села получают электроэнергию от электростанций для производственных и бытовых нужд. Большая часть используемой электроэнергии сейчас превращается в механическую энергию. Почти все механизмы в промышленности приводятся в движение электрическими двигателями. Они удобны, компактны, допускают возможность автоматизации производства. Около трети электроэнергии, потребляемой промышленностью, используется для технологических целей (электросварка, электрический нагрев и плавление металлов, электролиз и т.п.). Передача электроэнергии связана с заметными потерями, так как электрический ток нагревает провода линий электропередачи. В соответствии с законом Джоуля-Ленца энергия, расходуемая на нагрев проводов линии, определяется формулой Q=I2Rt=P2U2Rt, где R – сопротивление линии, U – передаваемое напряжение, Р – мощность источника тока. При очень большой длине линии передача энергии может стать экономически невыгодной. Значительно снизить сопротивление линии практически весьма трудно. Поэтому приходится уменьшать силу тока.
Дефицит энергоресурсов – одна из реальностей современной России. Энергоресурсосбережение является одной из самых серьезных задач XXI века. От результатов решения этой проблемы зависит место нашего общества в ряду развитых в экономическом отношении стран и уровень жизни граждан. Проблемы энергосбережения относятся к актуальнейшим проблемам глобальной постиндустриальной экономики. Для России они являются особенно важными потому, что расход энергии на единицу валового внутреннего продукта в стране в среднем на 30% выше, чем в остальных индустриально развитых странах. Из стран, входящих в десятку крупнейших потребителей энергии в мире, ни одна не потребляет больше энергии на единицу ВВП, чем Россия.Объем неэффективного использования энергии в России в настоящее время равен годовому потреблению первичной энергии во Франции.С одной стороны, нельзя не учитывать тот факт, что более высокий уровень энергоемкости российской экономики может быть объяснен объективными, существенными причинами такими как: высокая доля энергоемких отраслей в промышленном производстве, суровые климатические условия, огромные масштабы территории страны и другие. С другой стороны, можно действительно говорить о наличии неэффективного, расточительного расходования энергетических ресурсов. Доля энергетических затрат в себестоимости российской продукции составляет 10-25%. Рост неплатежей за энергоносители, несовершенство налоговой и тарифной политики являются причиной убыточности многих предприятий.
Действия электрического тока на организм человека весьма разнообразны. Среди них выделяют:
· тепловое (термическое) действие, проявляющееся в нагреве и ожогах участков тела;
· электролитическое действие, проявляющееся в разложении крови и других органических жидкостей на составляющие элементы (может сопровождаться выделением пузырьков газа и закупоркой сосудов);
· биологическое (физиологическое) действие, проявляющееся в раздражении и возбуждении живых тканей организма, что сопровождается непроизвольными судорожными сокращениями мышц, в том числе мышц легких и мышцы сердца.
Одними из основных факторов воздействия являются величина тока и длительность его протекания. Рассмотрим действие различных величин переменного тока промышленной частоты (50 Гц) на организм человека.
1. Безопасным считается ток, длительное прохождение которого через организм человека не причиняет ему вреда и не вызывает никаких ощущений. Его величина не превышает 50 мкА.
2. Ток величиной от 0,5 до 1,5 мА называется пороговым ощутимым током. Он вызывает легкое покалывание, ощущение нагрева кожи.
3. При токе 2-5 мА появляется боли в руке, дрожание кисти.
4. Увеличение тока до 10-15 мА вызывает непереносимую боль и полное прекращение управления мышцами. Если человек просто прикоснулся к находящимся под напряжением участкам, он может освободиться от действия тока посредством отдергивания руки. Если же провод оказался зажатым в руке, то при этом значении тока человек не может по своей воле разжать пальцы от токоведущих частей и остается под напряжением. По этой причине ток величиной больше 10-15 мА называется неотпускающим.
3. Электромагнитные колебания – это периодические взаимосвязанные изменения зарядов, токов, напряжённостей электрического и магнитного полей.
Свободными электромагнитными называются такие колебания, которые совершаются без внешнего воздействия за счёт первоначально накопленной энергии.
При соединении концов катушки с обкладками заряженного конденсатора, возникает электрический ток и конденсатор разряжается. Разрядка конденсатора не осуществляется мгновенно даже в том случае, если электрическое сопротивление провода катушки равно нулю. Мгновенному возрастанию силы тока препятствует возникающая в катушке ЭДС самоиндукции. Постепенно возрастая, сила тока в катушке достигает максимального значения в тот момент, когда конденсатор полностью разряжается. После разрядки конденсатора ток в цепи не прекращается мгновенно, так как ЭДС самоиндукции в катушке препятствует такому прекращению и создает ток самоиндукции в том же направлении, в каком он протекал под действием электрического поля заряженного конденсатора.
Электрическая цепь, состоящая из катушки и конденсатора, называется идеальным колебательным контуром. Реактивный колебательный контур – электрическая цепь, состоящая из конденсатора, катушки и сопротивления, соединённых последовательно. При наличии в этой цепи генератора (источника переменной ЭДС) существующие в контуре электромагнитные колебания будут вынужденными, так как будут происходить под действием внешнего периодически изменяющегося поля генератора. Что будет, если генератор из контура удалить? После соединения заряженного конденсатора с катушкой под действием электрического поля, создаваемого зарядами на конденсаторе, свободные электроны в контуре начнут перемещаться от отрицательно заряженной обкладки конденсатора к положительно заряженной. Конденсатор начнет разряжаться, и в контуре появится нарастающий ток. Переменное магнитное поле этого тока породит вихревое электрическое. Это электрическое поле будет направлено противоположно току и потому не даст ему сразу достигнуть максимального значения. Сила тока будет увеличиваться постепенно. Из закона сохранения энергии
(где LI2/2 — энергия магнитного поля катушки с током, q2/2C— энергия электрического поля конденсатора, a q2m/2C— начальная энергия контура, соответствующая максимальному заряду qm на конденсаторе и отсутствию тока в цепи) следует, что, когда сила тока в контуре достигнет максимума, заряд на конденсаторе окажется минимальным, т. е. равным нулю. В этот момент на положительно заряженной обкладке конденсатора окажется столько перешедших на нее электронов, что их отрицательный заряд полностью нейтрализует имевшийся там положительный заряд ионов.
Когда конденсатор разрядится, его электрическое поле исчезнет. Из-за этого, казалось бы, ток в контуре должен сразу прекратиться. Однако, как только он начнет уменьшаться, станет уменьшаться и индукция создаваемого им магнитного поля. Изменяющееся магнитное поле снова породит вихревое электрическое, которое на этот раз будет направлено в ту же сторону, что и ток. Поддерживаемый этим полем ток будет идти в прежнем направлении и постепенно перезаряжать конденсатор. Однако по мере накопления заряда на конденсаторе его собственное электрическое поле будет все сильнее тормозить движение электронов, и сила тока в контуре будет становиться все меньше и меньше. Когда сила тока уменьшится до нуля, конденсатор окажется полностью перезаряженным.
После этого конденсатор снова начнет разряжаться, и в контуре опять появится ток, только теперь уже идущий в обратном направлении. Сначала он будет нарастать, потом убывать, и через некоторое время конденсатор снова окажется перезаряженным, а колебательный контур — в своем первоначальном состоянии. После этого все начнет повторяться заново.
Таким образом, после соединения заряженного конденсатора с катушкой в колебательном контуре возникают свободные электромагнитные колебания, т. е. происходящие под действием внутренних сил периодические изменения заряда на конденсаторе, силы тока в катушке, а также электрических и магнитных полей в контуре.
Причиной свободных электромагнитных колебаний в контуре является действие на свободные электроны в нем переменного электрического поля, создаваемого зарядами на конденсаторе, и переменного вихревого электрического поля, порождаемого изменяющимся магнитным полем при самоиндукции. С собственной (циклической) частотой
. Чтобы убедиться в этом, подставим выражение в данное уравнение, которое предварительно перепишем в более простом виде: . Учитывая, что , получаем: , откуда .
При подстановке сюда значения циклической частоты мы получаем тождество, то и требовалось доказать.
Используя формулуТ=2π /ω, можно найти период свободных электромагнитных колебании в контуре:. Эту формулу называют формулой Томсона по имени английского ученого Уильяма Томсона, исследовавшего в 1853 г. колебательный характер разряда конденсатора.
Пусть источник тока создает переменное гармоническое напряжение:
u(t) = Uosinωt. (1)
Согласно закону Ома сила тока на участке цепи, содержащем только резистор сопротивлением R, подключенный к этому источнику, изменяется со временем также по синусоидальному закону: i(t) = U(t)/R = (Uo/R)sinωt = Iosinωt, где
Io = Uo/R − амплитудное значение силы тока в цепи. Как видно, сила тока в такой цепи также меняется с течением времени по синусоидальному закону. Величины Uo и Io = Uo/R называются амплитудными значениями напряжения и силы тока. Значения напряжения u(t) и силы тока i(t), зависящие от времени, называют мгновенными.
Зная мгновенные значения u(t) и i(t), можно вычислить мгновенную мощность p(t) = u(t)i(t), которая, в отличие от цепей постоянного тока, изменяется с течением времени. С учетом зависимости силы тока от времени в цепи перепишем выражение для мгновенной тепловой мощности на резисторе в видеp(t) = u(t)i(t) = i2(t)R = Io2Rsin2ωt.Поскольку мгновенная мощность меняется со временем, то использовать эту величину в качестве характеристики длительно протекающих процессов на практике крайне неудобно. Перепишем формулу для мощности по-другому: р=ui=UoIosin2ωt=(1/2)UoIo(1−cos2ωt)=UoIo/2 − (UoIo/2)cos2ωt.
Первое слагаемое не зависит от времени. Второе слагаемое − переменная составляющая − функция косинуса двойного угла и ее среднее значение за период колебаний равно нулю. Поэтому среднее значение мощности переменного электрического тока за длительный промежуток времени можно найти по формулеPcp = UoIo/2 = Io2/R. Это выражение позволяет ввести действующие (эффективные) значения силы тока и напряжения, которые используются в качестве основных характеристик переменного тока. Действующим (эффективным) значением силы переменного тока называется сила такого постоянного тока, который, проходя по цепи, выделяет в единицу времени такое же количество теплоты, что и данный переменный ток. Поскольку для постоянного тока Pпост =I2R,то с учетом ранее полученного выражения для среднего значения мощности переменного тока действующее значение силы тока Iд = Io/√2.Аналогично можно ввести действующее значение и для напряжения Uд = Uo/√2.Таким образом, выражения для расчета мощности, потребляемой в цепях постоянного тока, остаются справедливыми и для переменного тока, если использовать в них действующие значения силы тока и напряжения: P = UдIд = Iд2R = Uд2/R, Iд = Uд/R. Необходимо отметить, что закон Ома для цепи переменного тока, содержащей только резистор сопротивлением R, выполняется как для амплитудных и действующих, так и для мгновенных значений напряжения и силы тока, вследствие того, что их колебания совпадают по фазе.
4. В цепи с переменным током принято различать активное R и реактивное X сопротивления. Первым из них обладают те элементы цепи, в которых электрическая энергия необратимо преобразуется во внутреннюю, а вторым — те элементы, в которых подобного преобразования не происходит.
При включении конденсатора в цепь переменного тока на его обкладках возникает переменное напряжение . Через диэлектрик, разделяющий обкладки конденсатора, электрические заряды проходить не могут. Но в результате периодически повторяющихся процессов зарядки и разрядки конденсатора в подведенных к нему проводах появляется переменный ток. Чтобы найти силу этого тока, следует перейти от приближенного определения силы тока ()к точному: , где q' — производная заряда по времени.
Применяя эту формулу, получаем:
Появившуюся здесь производную напряжения можно найти следующим образом:
Поэтому сила тока (5)
, где (6)
Из выражений (6) и (5) видно, что фаза напряжения , а фаза силы тока π/2. Поэтому разность фаз колебаний напряжения и силы тока равна .
Это означает, что колебания напряжения на конденсаторе отстают по фазе от колебаний силы тока на л/2. В этом случае, как мы знаем, сопротивление цепи переменному току является реактивным.
Чтобы найти сопротивление конденсатора переменному току, сопоставим выражение (6) с формулой сопротивления, получаемой
на основе закона Ома. Мы видим, что
5511800647700Определение. Физическая величина, обратная произведению циклической частоты тока на электроемкость конденсатора, называется емкостным сопротивлением: .
С учетом этого определения соотношение можно переписать в виде
или
Из определения емкостного сопротивления видно, что конденсатор оказывает значительное сопротивление току небольшой частоты и малое сопротивление току высокой частоты. Постоянный ток можно рассматривать как предельный случай переменного тока, у которого частота ; в этом случае и ток через конденсатор не идет.
Емкостное сопротивление убывает с увеличением емкости конденсатора. Так как при, то конденсатор бесконечно большой емкости вообще не оказывал бы никакого сопротивления переменному току. Приналичие заряда на обкладках конденсатора не приводит к возникновению напряжения между ними (в этом случае U=q/C=0). Поэтому конденсатор с бесконечно большой емкостью вел бы себя в цепи переменного тока так же, как кусок проволоки с нулевым «омическим» сопротивлением в цепи постоянного тока.
030480Пусть в цепь переменного тока с (7). Включена катушка индуктивности, т. е. катушка со значительной индуктивностью Lи пренебрежимо малым активным сопротивлением R(рис). Так как мы считаем, что R=0, то: U+ε=0. Под ЭДС понимается ЭДС самоиндукции. Используя последнее равенство, а также , найдём напряжение на катушке: , где I/ - производная силы тока по времени, которую можно найти следующим образом: . Поэтому напряжение (8), где. (9) Из выражений (7) и (8) видно, что фаза напряжения , а фаза силы тока . Поэтому разность фаз колебаний напряжения и силы тока равна . Это означает, что колебания напряжения на катушке опережают по фазе колебания силы тока в ней на π/2. В этом случае, как известно, сопротивление цепи переменному току является реактивным.
Определение. Физическая величина, равная произведению циклической частоты тока на индуктивность катушки, называется индуктивным сопротивлением:
С учётом этого определения соотношение (9) можно переписать в виде и . Возникновение индуктивного сопротивления обусловлено явлением самоиндукции: появляющееся при колебаниях силы тока в катушке вихревое электрическое поле препятствует тем изменениям тока, которые его вызвали.
В элементах с чисто активным сопротивлением колебания силы тока и напряжения совпадают по фазе. Строго говоря, в электрических цепях не существует таких элементов, сопротивление которых являлось бы только активным, только емкостным или только индуктивным. Например, катушка индуктивности (соленоид) обладает одновременно и индуктивным, и активным сопротивлением, так как ее обмотка выполнена из провода, нагревающегося при прохождении через него тока. Нагревание диэлектрика в конденсаторе также говорит о том, что и его сопротивление не является чисто реактивным. Кроме того, любой проводник всегда обладает какой-то емкостью и индуктивностью.
Однако на практике часто используются такие элементы, в которых сопротивление одного из перечисленных видов имеет преобладающее значение, а двумя другими видами сопротивлений по сравнению с ним можно пренебречь. Тогда соответствующий элемент цепи можно рассматривать идеализированно, считая, что он обладает либо только активным (резистор), либо только емкостным (конденсатор), либо только индуктивным (катушка) сопротивлением. Именно это и будет подразумеваться ниже. Пусть на концах резистора с помощью генератора переменного тока создается переменное напряжение
U=Umsinωt.(3)
Тогда в соответствии с законом Ома через этот резистор будет идти ток
где
(4)
амплитуда силы тока в резисторе. Из выражений (3) и (4) видно, что колебания силы тока и напряжения на резисторе происходят в одной фазе.
Если разделить обе части равенства (4) на , то можнополучить:
Частота вынужденных колебаний в колебательном контуре равна частоте действующей в этом контуре э. д. с. Амплитуда вынужденных колебаний тем больше, чем ближе частота э. д. с. к частоте свободных колебаний в контуре. При совпадении этих частот амплитуда становится наибольшей, получается электрический резонанс: ток в контуре и напряжение на его конденсаторе могут очень сильно превышать те, которые получаются при отстройке, т. е, вдали от резонанса. Резонансные явления выражены тем сильнее и резче, чем меньше сопротивление контура. ы с вами уже знаем, что если активное сопротивление мало, то собственная циклическая частота колебаний в контуре определяется формулойСила тока при вынужденных колебаниях должна достигать максимальных значений, когда частота переменного напряжения, приложенного к контуру, равна собственной частоте колебательного контура:
Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.
Амплитуда силы тока при резонансе. Как и в случае механического резонанса, при резонансе в колебательном контуре создаются оптимальные условия для поступления энергии от внешнего источника в контур. Мощность в контуре максимальна в том случае, когда сила тока совпадает по фазе с напряжением. Здесь наблюдается полная аналогия с механическими колебаниями: при резонансе в механической колебательной системе внешняя сила (аналог напряжения в цепи) совпадает по фазе со скоростью (аналог силы тока).
Не сразу после включения внешнего переменного напряжения в цепи устанавливается резонансное значение силы тока. Амплитуда колебаний силы тока нарастает постепенно — до тех пор, пока энергия, выделяющаяся за период на резисторе, не сравняется с энергией, поступающей в контур за это же время: Отсюда амплитуда установившихся колебаний силы тока при резонансе определяется уравнением
Практические занятия:
Работа электрогенератора. Устройство трансформатора
Свободные электромагнитные колебания. Осциллограмма переменного тока.
Конденсатор и катушка в цепи переменного тока.
Резонанс в последовательной цепи переменного тока.
Лабораторные работы:
Исследование зависимости силы тока от электроемкости конденсатора в цепи переменного тока.
Измерение индуктивности катушки.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради.
3. Составление отчётов лабораторных работ.
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач и отчётов лабораторных работ.
Вопросы для самоконтроля по теме:
Какой ток называется переменным? Чему равна промышленная частота переменного тока? Что называется действующими значениями силы тока и напряжения переменного тока? Что называется генератором переменного тока? Что представляет собой трансформатор? Что является основной характеристикой трансформатора?
Какие колебания называются электромагнитными? Что называется идеальным колебательным контуром? Что собой представляет реальный колебательный контур? Какие колебания называются свободными электромагнитными?
В чем заключается закон сохранения энергии в колебательном контуре? Какое сопротивление называется активным? Реактивным? Что такое ёмкостное сопротивление? Индуктивное?
Что называется резонансом в электрическом колебательном контуре?
Тема 3.6. Электромагнитные волны. Волновая оптика.
Основные понятия и термины по теме: электромагнитное поле, электромагнитные волны, радиосвязь, телевидение, модуляция, детектирование, интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия, электромагнитные волны низкой частоты, радиоволны, инфракрасное излучение, видимое излучение, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское и гамма- излучения.
План изучения темы:
Электромагнитное поле и электромагнитные волны. Скорость электромагнитных волн. Принципы радиосвязи и телевидения.
Свет как электромагнитная волна. Интерференция и дифракция света. Законы отражения и преломления света. Полное внутреннее отражение. Дисперсия света.
Различные виды электромагнитных излучений, их свойства и практические применения.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Электромагнитное поле –это порождающие друг друга переменные электрические и магнитные поля. Теория электромагнитного поля создана Джеймсом Максвеллом в 1865 г. Он теоретически доказал, что: любое изменение со временем магнитного поля приводит к возникновению изменяющегося электрического поля, а всякое изменение со временем электрического поля порождает изменяющееся магнитное поле. Если электрические заряды движутся с ускорением, то создаваемое ими электрическое поле периодически меняется и само создает в пространстве переменное магнитное поле и т.д.Источниками электромагнитного поля могут быть:
- движущийся магнит;
- электрический заряд, движущийся с ускорением или колеблющийся (в отличие от заряда, движущегося с постоянной скоростью, например, в случае постоянного тока в проводнике, здесь создается постоянное магнитное поле).
Электрическое поле существует всегда вокруг электрического заряда, в любой системе отсчета, магнитное – в той, относительно которой электрические заряды движутся, электромагнитное – в системе отсчета, относительно которой электрические заряды движутся с ускорением.
Электромагнитное поле - это особая форма материи - совокупность электрических и магнитных полей. Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле. Оно материально:
проявляет себя в действии, как на покоящиеся, так и на движущиеся заряды;
распространяется с большой, но конечной скоростью;
существует независимо от нашей воли и желаний.
При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле. При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле.
При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, которая распространяется в пространстве с конечной скоростью.
Разработка идеи электромагнитных волн принадлежит Максвеллу, но уже Фарадей догадывался об их существовании, хотя побоялся опубликовать работу (она была прочитана более чем через 100 лет после его смерти).
Процесс распространения в пространстве переменных электрических и магнитных полей в результате взаимного порождения магнитного поля электрическим и электрического поля магнитным называется электромагнитной волной.
Согласно гипотезе Максвелла электромагнитная волна является поперечной волной. Векторы магнитной индукции и напряженности электрического взаимно перпендикулярны и перпендикулярны направлению распространения волны.
Для распространения электромагнитной волны не требуется среда, скорость с электромагнитной волны в вакууме равна 300000 км/с.
Электромагнитные волны не могут распространяться в проводящей среде, так как из-за наличия свободных электрических зарядов электрическое поле внутри проводников всегда равно нулю.
Главное условие возникновения электромагнитной волны — ускоренное движение электрических зарядов.
Полное экспериментальное подтверждение гипотезы Максвелла было получено в опытах Генриха Герца в 1887 году. В 1887—1889 гг. Г. Герц поставил ряд опытов, в которых ему впервые удалось доказать существование электромагнитных воли, а также показать, что их свойства аналогичны свойствам волн, вытекающим из теории Максвелла. На рис. изображено разрядное устройство, называемое вибратором Герца. Катушка с прерывателем тока, представляющая собой высоковольтный трансформатор, заряжает стержни до тех пор, пока в промежутке между ними не проскочит искра — высокочастотный разряд. В это время вибратор излучает электромагнитную волну. Для приема волн служит такой же стержень. С помощью этого прибора Герц доказал наличие электромагнитных волн и изучил их свойства.
Электромагнитные волны обладают рядом свойств:
Излучаются ускоренно движущимися зарядами, причем, чем больше их ускорение, тем быстрее изменяется напряжённость поля.
Электромагнитные волны могут распространяться не только в различных средах, но и в вакууме.
Скорость в вакууме электромагнитной волны совпадает со скоростью света 300 000 км/с (3∙108м/с).
Скорость электромагнитных волн в веществе ниже, чем скорость света в вакууме.
При переходе электромагнитной волны из одной среды в другую частота волны не изменяется.
Электромагнитные волны могут поглощаться веществом.
Электромагнитные волны преломляются и отражаются.
Электромагнитная волна поперечна.
Электромагнитные волны обладают дифракцией и интерференцией. Дифракция – это явление огибания препятствия. Интерференция – явление, возникающее при сложении когерентных электромагнитных волн. Когерентными называются колебания с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз.
Существование электромагнитных волн было предсказано Майклом Фарадеем в 1832 году, в 1885 году Джеймс Клерк Максвелл теоретически доказал существование электромагнитной волны вычислив скорость их распространения в вакууме, экспериментально подтвердил гипотезу Максвелла в 1887 г. Генрих Герц. Впервые продемонстрировал возможность использования электромагнитных волн для передачи информации без использования проводов в 1895 году русский физик А.С. Попов, преподаватель военно-минного училища в г. Крондтштате. Человек живет в океане электромагнитных волн. Его ежедневно, ежечасно окружают различные излучения. Одним из самых известных являются радиоволны.
Это э/м волны с длиной волны от долей миллиметра до нескольких километров. Название волн определено по их предназначению и для радиоволн характерны все свойства э/м волн. Получение и регистрация э/м волн подтолкнуло физиков и техников всего мира к поискам средств совершенствования излучателя и приемника, практического использования этих устройств. И, когда 7 мая 1895 года А. С. Попов продемонстрировал удобный прибор для приема э/м волн, началась эра радио.
7 мая 1895 г. А. С. Попов доложил Русскому физико-химическому обществу о создании им грозоотметчика — прибора, позволяющего регистрировать электромагнитные волны, возникающие при грозовых разрядах. По сути дела, это был первый радиоприемник. Через год 24 марта 1896 года Попов на заседании того же общества продемонстрировал сеанс радиосвязи: из одного здания в другое, находящееся на расстоянии 250 м, была передана радиограмма «Генрих Герц». Радиограмма передавалась из химической лаборатории Петербургского университета в физическую, расположенную на расстоянии 250 м от первой, и состояла из слов «HeinrichHertz».
Изобретатель радио увековечил в первой радиограмме того, кто первым в мире наблюдал электромагнитные волны. В то же время проблемами радиосвязи занимался итальянский учёный Г. Маркони, много сделавший для внедрения радио в практику. Летом 1896 г. аналогичные устройства для беспроволочной связи были созданы итальянским изобретателем Г. Маркони. В отличие от Попова он не забыл получить на свое изобретение английский патент. Благодаря большим материальным возможностям и своей энергии Маркони добился широкого применения радиотелеграфной связи на практике. В 1901 г. он осуществил радиосвязь через Атлантический океан, передав точками азбуки Морзе латинскую букву S. За развитие радиотехники и распространение радио как средства связи Маркони был награждён Нобелевской премией.
Этот способ передачи электромагнитных волн без проводов получил название радиосвязи.
Радиосвязь - передача и прием информации с помощью радиоволн, т. е. электромагнитных волн с частотой приблизительно от 105 до I09 Гц.
Для осуществления радиосвязи в пункте, из которого ведется передача сообщений, размещают радиопередатчик с передающей антенной, а в пункте, в котором ведется прием сообщений, — радиоприемник с приемной антенной. Радиопередатчик состоит из автоколебательного генератора и передающей антенны. Радиоприёмник состоит из колебательного контура, антенны, детектора (диода0, конденсатора постоянной ёмкости, телефона. В контуре принятая волна возбуждает модулированные колебания. Конденсатор перестраивает контур на резонанс с принятой радиоволной. После прохождения детектора волны высокой частоты идут через конденсатор постоянной ёмкости, а низкой частоты на обмотки катушки телефона, вызывающей колебания мембраны с той же звуковой частотой. Модуляция – это процесс преобразования низкочастотных электромагнитных волн в высокочастотные. Детектирование – это процесс разделения высокочастотных электромагнитных волн в высокочастотные. Радиотелефонная связь – это электрическая связь, при которой с помощью радиоволн передаются телефонные сообщения. В отличие от радиовещания, в радиотелефонной связи осуществляется двусторонний обмен сообщениями между двумя корреспондентами. Телеграфная связь – передача на расстояние буквенно-цифровых сообщений – телеграмм – с обязательной записью их в пункте приёма, осуществляется электрическими сигналами, передаваемыми по проводам, и (или) радиосигналами.
Природа очень долго хранила секрет света. Древние Греки считали: свет – нечто такое, что истекает из глаза, ощупывает предмет и доставляет наблюдателю информацию. Пифагор считал: тела становятся видимыми благодаря испускаемым ими частицам. В конце XVII в. почти одновременно возникли три теории:
-В 1672 г. англ. уч. И.Ньютон предложил корпускулярную теорию света, согласно которой свет представляет собой поток “лучистых частиц” - корпускул.
- В 1678 г. гол. уч. Гюйгенс разработал волновую теорию, которая рассматривала свет как упругую волну, распространяющуюся в среде.
- В 1864 г. англ. уч. Максвелл создал электромагнитную теорию света, которая рассматривала свет как электромагнитную волну.
Вывод: свет – поток частиц обладающих волновыми свойствами. Двойственность свойств света называется корпускулярно-волновым дуализмом.
Это проявление взаимосвязи основных форм материи вещества и поля. Раздел физики, рассматривающий явления связанные со светом, а также взаимодействие света с веществом называется оптика. (от греческого слова “зрительный”)
ОПТИКА
Волновая
Геометрическая
раздел оптики, в котором свет рассматривается без учёта его природы как совокупность отдельных и независимых друг от друга световых лучей. раздел оптики, который рассматривает свет с учёт его природы и основывается на четырёх явлениях: дисперсии, дифракции, интерференции и поляризации.
Так как свет – поток частиц и волна, то у него должна быть скорость. Аристотель считал, что свет от точки к точке распространяется мгновенно. Кеплер и Декарт считали скорость света бесконечной. Ньютон и Гук – конечной, но очень большой. И только в 1676 году датский ученый Ремер определил астрономическим методом, наблюдая за спутником Юпитера – Ио что с=215000 км/с. дальнейшем скорость света лабораторным способом, определил французский физик в 1849 году Физо: с=299792458 м/с. Современные расчеты дают приблизительно такой же результат, поэтому при решении задач мы будем принимать: с=300000 км/с или с=3*108 м/с.Свет распространяется так быстро, что за 1 секунду может обежать вокруг Земли 8 раз. (Майкельсон – с применением вращения зеркал). А в 1850 году французский физик Фуко измерил скорость света в воде, она оказалась в 1,33 раза меньше чем в вакууме.
Основные законы геометрической оптики:
Закон прямолинейного распространения света: свет в оптически однородной среде распространяется прямолинейно. Доказательством этого закона служит образование тени и полутени. Солнечные и лунные затмения так же происходят вследствие прямолинейного распространения света.
Законы отражения света: отражённый луч лежит в одной плоскости с падающим лучом и перпендикуляром, проведённым к границе раздела двух сред в точке падения луча; угол отражения равен углу падения.
Преломление света – это изменение направления луча на границе двух сред разной плотности. Луч света, упав в воду, меняет свое направление на границе двух сред (то есть на поверхности воды). Луч буквально преломляется. Это явление и называют преломлением света. Оно происходит из-за того, что у воды и воздуха разные плотности. Вода плотнее воздуха, и у луча света, упавшего на ее поверхность, замедляется скорость. Таким образом, вода – оптически более плотная среда. Оптическая плотность среды характеризуется различной скоростью распространения света. Угол преломления (ϒ) – это угол, образуемый преломленным лучом и перпендикуляром к точке падения луча на поверхности раздела двух сред. Луч упал на поверхность воды в какой-то определенной точке и преломился. Проведем от этой точки перпендикуляр в ту же сторону, в какую «ушел» преломленный луч – в нашем случае перпендикуляр направлен в сторону дна водоема. Угол, образуемый этим перпендикуляром и преломленным лучом, и называют углом преломления.
Законы преломления света: луч падающий, луч преломлённый и перпендикуляр, проведённый к границе раздела сред в точке падения луча, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред: sin∝sinγ=n12.
n12 – относительный показатель преломления сред (показатель преломления второй среды относительно первой), n12=v1v2или n12=n2n1, n1=cv1и n2=cv2 – абсолютные показатели преломления первой и второй среды (показатели преломления относительно вакуума). Чем меньше скорость света в среде, тем более оптически плотной её считают. Среду с большим абсолютным показателем преломления называют оптически более плотной. Если свет переходит из оптически менее плотной среды в оптически более плотную (например, из воздуха в воду или стекло), то угол падения больше угла преломления. Наоборот, если свет проходит из воды или из стекла в воздух, то он преломляется от перпендикуляра: угол падения меньше угла преломления
При падении света на границу раздела двух сред световая энергия делится на две части: одна часть отражается, другая часть проникает через границу раздела во вторую среду. На примере перехода света из воздуха в стекло, т. е. из среды, оптически менее плотной, в среду, оптически более плотную, мы видели, что доля отраженной энергии зависит от угла падения. В этом случае доля отраженной энергии сильно возрастает по мере увеличения угла падения; однако даже при очень больших углах падения, близких к 90°, когда световой луч почти скользит вдоль поверхности раздела, все же часть световой энергии переходит во вторую среду. Новое интересное явление возникает, если свет, распространяющийся в какой-либо среде, падает на границу раздела этой среды со средой, оптически менее плотной, т. е. имеющей меньший абсолютный показатель преломления. Здесь также доля отраженной энергии возрастает с увеличением угла падения, однако возрастание идет по иному закону: начиная с некоторого угла падения, вся световая анергия отражается от границы раздела. Это явление носит название полного внутреннего отражения. Полное внутреннее отражение– отражение электромагнитного излучения (в частности, света) при его падении на границу раздела двух прозрачных сред из среды с большим показателем преломления. Полное внутреннее отражение можно наблюдать на границе воздушных пузырьков в воде. Они блестят потому, что падающий на них солнечный свет полностью отражается, не проходя внутрь пузырьков. Это особенно заметно на тех воздушных пузырьках, которые всегда имеются на стеблях и листьях подводных растений и которые на солнце кажутся сделанными из серебра, т. е. из материала, очень хорошо отражающего свет.
Явление дисперсии света открыл Ньютон. В его опыте узкий параллельный пучок белого света направлялся на боковую грань трехгранной стеклянной призмы. На границах раздела воздух-стекло и стекло-воздух свет 2 раза испытывал преломление, и пучок света отклонялся от первоначального направления распространения. При этом свет после прохождения призмы разлагался в веер пучков света разном цвета, от фиолетового до красного.
Разложение пучка белого света стеклянной призмой показывает, что для света с разной частотой показатели преломления вещества оказываются различными. Наибольшее преломление испытывают лучи фиолетового света, наименьшее — лучи красного света.
Абсолютный показатель преломления света обратно пропорционален скорости его распространения в веществе, скорость света в вакууме, как показали опыты, одинакова для света с любой частотой. Поэтому можно сделать вывод, что фиолетовый свет, имеющий наибольший абсолютный показатель преломления, распространяется в прозрачном веществе с наименьшей скоростью, а красный свет, имеющий наименьший абсолютный показатель преломления, распространяется в веществе с наибольшей скоростью.
В природе с дисперсией солнечного света мы встречаемся при наблюдении явления радуги. Явление радуги объясняется тем, что солнечные лучи, падающие на каплю дождя, проходят внутрь капли, отражаются от второй границы раздела вода-воздух и выходят из капли под углом около 41° к направлению падающих лучей. Из-за различия показателей преломления лучи красного света выходят под углом ~42°, синие — под углом ~40°. Так образуется радуга. Солнце при наблюдении радуги всегда находится за спиной наблюдателя (слайд). При спектральном разложении белого света от Солнца или нагретых до высокой температуры твердых или жидких тел между пучками света разного цвета нет темных промежутков один цвет плавно переходит в другой. Это доказывает, что Солнце или нагретое твердое тело испускает электромагнитные волны всех возможных частот. Излучение, состоящее из электромагнитных волн всех возможных частот без пропусков, называется излучением со сплошным спектром. Ощущение белого света возникает у человека при одновременном действии на его глаз света всех цветов, от красного до фиолетового. В этом можно убедиться путем сложения цветов сплошного спектра в одно место на экране.
При спектральном разложении света, испускаемого нагретыми разреженными газами, были обнаружены спектры, существенно отличающиеся от сплошного спектра нагретых твердых тел. Свет от нагретых газов разлагается на отдельные узкие пучки монохроматического света. Наэкране при этом наблюдаются отдельные монохроматические линии. Такие спектры называют линейчатыми спектрами.
Монохроматическим называется электромагнитное излучение одной определённой и строго постоянной частоты.
У молекул бесцветного прозрачного вещества, например, стекла, наиболее существенные резонансные частоты лежат в ультрафиолетовой области. Поэтому обычное стекло хорошо пропускает видимый свет. У цветных стёкол резонансы имеются в видимом диапазоне частот. Из-за этого часть проходящего света поглощается т остаётся лишь тот, который придаёт цвет стеклу. Например, глядя на лампу накаливания через синий фильтр, мы увидим её синей потому, что синий фильтр из всей совокупности излучений лампы пропускает только синие, фиолетовые и голубые лучи, а остальные поглощает.
Цвет непрозрачных предметов определяется тем светом, который они диффузно (рассеянно) отражают. Так, например, предмет, поглощающий все лучи, кроме зеленых, отражая последние, приобретает зеленый цвет. Если же поверхность какого-то предмета одинаково хорошо отражает лучи всех цветов спектра, то она будет казаться белой. Белые поверхности характеризуются значительным коэффициентом отражения. Причем, чем больший коэффициент отражения имеет белая поверхность, тем более светлой она кажется. Очень светлым, поэтому выглядит белый порошок оксида магния (коэффициент отражения 96%). Свежевыпавший снег отражает 85% падающего светового потока, белая бумага — 75%. «Черных лучей» в природе не существует. Предмет нам кажется черным в том случае, когда он поглощает почти весь падающий на него свет, одинаково плохо отражая лучи всех цветов. Например, коэффициент отражения черного бархата составляет всего лишь 0,3%.
Вообще все цвета, встречающиеся в природе, делят на ахроматические и хроматические. К ахроматическим цветам относятся белый, черный и серый цвета.
К хроматическим относятся спектральные цвета (от красного до фиолетового), пурпурные (малиновый, вишневый и сиреневый) и все остальные (коричневый, салатный и т. д.), получающиеся в результате смешения различных цветов между собой. Пурпурные цвета возникают при смешении в разной пропорции красных и фиолетовых или синих цветов.
Красный, зеленый и синий цвета являются взаимно независимыми. Это означает, что каждый из них не может быть получен в результате смешения двух других. Направив на белый экран три пучка света, пропущенные соответственно через красный, зеленый и синий светофильтры, в месте их пересечения можно получить белый цвет. Правда, он получится лишь при одном совершенно определенном соотношении яркостей складывающихся световых пучков. Изменяя это соотношение, в результате смешения красного, зеленого и синего цветов можно получить практически любой другой хроматический цвет.
Изучение спектрального состава излучения от различных веществ в нагретом газообразном состоянии показало, что каждый химический элемент обладает своим, только ему одними присущим линейчатым спектром излучения. Это дает возможность по спектру излучения определить химический состав вещества. Такой метод определения химического состава вещества называется спектральным анализом.
Спектральный анализ – метод определения химического состава вещества по его спектру.
В настоящее время спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении и атомной индустрии, а также в криминалистике.
Исследуя с помощью спектрального анализа волосы, в разное время срезанные с головы Наполеона, было установлено, что он был отравлен мышьяком, небольшие дозы которого ему подмешивали в пищу во время его пребывания на острове Святой Елены.
457708015240Электромагнитные волны являются поперечными волнами. Поэтому для доказательства электромагнитной природы света необходимо было обнаружить такие явления, которые присущи только па перечным волнам.
Особенностью поперечных волн по сравнению с продольными является их способность к поляризации, то есть к выделению колебаний, совершающихся в одной плоскости. Свет оказывается способным к поляризации, и это доказывает, что световые волны являются поперечными электромагнитными волнами. Явление поляризации света было обнаружено в опытах с некоторыми прозрачными кристаллами. Если пучок света пропускает, например, через два кристалла исландского шпата, то поток излучения на выходе зависит от взаимной ориентации кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления. Если же второй кристалл повернут на 90° от первоначального положения, то свет через него не проходит. Это явление объясняется поляризацией света при прохождении через кристалл. Кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора Е напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости. Эта плоскость называется плоскостью поляризации. Если плоскость, в которой пропускаются колебания вторым кристаллом, совпадает с плоскостью поляризации падающих на него световых волн, поляризованный свет проходит через второй кристалл без ослабления. При повороте кристалла на 90° поляризованный свет не проходит через кристалл.
3. Длина электромагнитных волн может быть самой различной – от километровых радиоволн до рентгеновских лучей с длиной волны около 10-12м.Видимое излучение (свет) составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн или как принято говорить, шкалы электромагнитных излучений. Тем не менее, именно при изучении этой части шкалы были открыты другие излучения с необычными свойствами.Принято выделять низкочастотное излучение, радиоизлучение (радиоволны), инфракрасные лучи, видимый свет (оптический Диапазон), ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-излучение. Наиболее коротковолновое гамма-излучение испускается атомными ядрами.
Принципиального отличия между отдельными излучениями нет. Все они представляют собой электромагнитные волны, порождаемые движущимися заряженными частицами. Да и обнаруживаются электромагнитные волны, в конечном счете, по их действию на заряженные частицы. В вакууме излучение любой длины волны распространяется со скоростью 299792458+1,2 м/с. Границы между отдельными областями шкалы излучений весьма условны.
Однако по мере уменьшения длины волны проявляются и существенные качественные различия электромагнитных волн. Излучения различных длин волн отличаются друг от друга по способу их получения (излучение антенны, тепловое излучение, излучение при торможении быстрых электронов) и методам регистрации, то есть по характеру взаимодействия с веществом.
Поскольку электромагнитные волны излучаются при любом ускоренном движении электрических зарядов, спектр электромагнитных излучений, наблюдаемых в природе и создаваемых в технике, очень широк.
Электромагнитные излучения с длиной волн от нескольких миллиметров до нескольких километров называют радиоволнами. Радиоволны излучаются при грозовых разрядах, приходят от звезд, туманностей и даже из межзвездного пространства, имеющего температуру около 3 К. Радиоволны излучают антенны радио- и телепередатчиков, радиолокаторов.
Излучения в диапазоне длин волн примерно от 1 мм до 8 • 10-7 м называют инфракрасным излучением. Любые тела при нагревании вследствие теплового движения заряженных частиц внутри них испускают электромагнитное излучение. При температурах, близких к абсолютному нулю, это излучение лежит в области радиоволн. При температурах от ~10К и до ~3000К основная часть электромагнитного излучения лежит в области инфракрасного излучения. Инфракрасное излучение органы чувств человека воспринимают как тепло, идущее от горячих предметов. Инфракрасное излучение применяется в технике для прогревания и сушки материалов и изделий.
При температурах выше ~3000К и до ~10000К излучение нагретых тел происходит в основном в области видимого излучения. Это температуры поверхностей Солнца и звезд. Видимый свет обладает длинами волн от 8 • 10-7 до 4 • 10-7 м.
При более высоких температурах вещества максимум излучения приходится на ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолетовым излучением называются электромагнитные волны от 4 • 10-7 до 1 • 10-7 м. Ультрафиолетовое излучение обладает большой биологической активностью. В частности, под действием ультрафиолетового излучения погибают болезнетворные бактерии и вирусы. Это его свойство используется в медицине, во многих технологических процессах для стерилизации инструментов, материалов, лекарств и продуктов. Из-за биологической активности ультрафиолетовое излучение может быть опасным для человека. При больших дозах облучения летний загар может быть вредным для здоровья человека.
Электромагнитные излучения, возникающие при торможении быстрых электронов в веществе, называют рентгеновским излучением или рентгеновскими лучами. Рентгеновские лучи обладают длинами волн от 10-8 до 10-14 м. Электромагнитное излучение с длиной волны менее 10-10м, испускаемое атомными ядрами или элементарными частицами при их превращениях, называют гамма-излучением. Области длин волн от 10-10 до 10-14м рентгеновского излучения и гамма-излучения перекрываются. Эти два излучения в этой области отличаются только происхождением. Рентгеновские и гамма-лучи обладают большой проникающей способностью при прохождении через вещество. Это их свойство широко используется в медицине для диагностики раз личных заболеваний внутренних органов человека. Органы человека, имеющие разную плотность, неодинаково поглощают рентгеновское излучение. Видимое изображение возникает на экране, покрытом кристаллами, испускающими видимый свет под действием рентгеновского излучения, или получается на фотопленке. Рентгеновское и гамма-излучения обладают сильным биологическим действием и в больших дозах могут принести серьезный вред живому организму. Однако их угнетающее действие на живые клетки может быть использовано для подавления развития злокачественных опухолей.
У всех видов электромагнитных излучений есть общие свойства: все они являются поперечными электромагнитными волнами, все они проявляют свою волновую природу в явлениях интерференции, дифракции и поляризации. Все они возникают в процессе ускоренного движения заряженных частиц. При одинаковой электромагнитной природе электромагнитные излучения обнаруживают и различия. Главное различие между длинноволновыми и коротковолновыми электромагнитными излучениями — увеличение проявления корпускулярных свойств излучений с уменьшением длины волны. Квантовые, корпускулярные свойства менее всего проявляются в диапазоне радиоволн и более всего в диапазоне гамма-излучений. По этой причине гамма-излучение рассматривают обычно как поток частиц — гамма-квантов.
Строгих границ между отдельными диапазонами электромагнитных волн нет. На границах диапазонов вид волны устанавливают по способу её излучения, т. е. электромагнитная волна с одной и той же частоты может быть в том или другом случае отнесена к разному виду волн. Например, излучение с длиной волны в 100 мкм может быть отнесено к радиоволнам или к инфракрасным волнам. Исключение - видимый свет.
Таблица 1.
ОБЩИЕ СВОЙСТВА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
Свойства Характеристики
Распространение в пространстве с течением времени Скорость электромагнитных волн в вакууме постоянна и равна приблизительно 300 000 км/с
Все волны поглощаются веществом Различные коэффициенты поглощения
Все волны на границе раздела двух сред частично отражаются, частично преломляются. Законы отражения и преломления. Коэффициенты отражения для разных сред и разных волн.
Все электромагнитные излучения проявляют свойства волн: складываются, огибают препятствия. Несколько волн одновременно могут существовать в одной области пространства Принцип суперпозиции. Для когерентных источников правила определения максимумов. Принцип Гюйгенса-Френеля. Волны между собой не взаимодействуют
Сложные электромагнитные волны при взаимодействии с веществом раскладываются в спектр - дисперсия. Зависимость показателя преломления среды от частоты волны. Скорость волны в веществе зависит от показателя преломления среды v = c/n
Волны разной интенсивности Плотность потока излучения
Свойства электромагнитных волн:
Наименование Длина, м Частота, Гц
Сверхдлинные 106-104 3*102- 3*104
Длинные (радиоволны) 104-103 3*104- 3*105
Средние(радиоволны) 103 -102 3*105- 3*106
Короткие(радиоволны) 102-101 3*106- 3*107
Ультракороткие 101-10-1 3*107- 3*109
Телевидение (СВЧ) 10-1-10-2 3*109- 3*1010
Радиолокация (СВЧ) 10-2-10-3 3*1010- 3*1011
Инфракрасное излучение 10-3-10-6 3*1011- 3*1014
Видимый свет 10-6-10-7 3*1014- 3*1015
Ультрафиолетовое излучение 10-7-10-9 3*1015- 3*1017
Рентгеновское излучение(мягкое) 10-9-10-12 3*1017- 3*1020
Гамма-излучение (жесткое) 10-12-10-14 3*1020- 3*1022
Космические лучи ≤10-14 ≤3*1022
В настоящее время искусственно созданные электромагнитные поля во много раз превысили естественный электромагнитный фон Земли, к которому человек приспособился на долгом пути эволюции.
Источниками электромагнитных полей являются объекты радиовещания, телевидения, радиолокации, сеть высоковольтных линий электропередачи. Как влияют на человека эти излучения, которые он сам "выпустил в свет"? Установлено, что электромагнитные поля большой интенсивности отрицательно влияют на здоровье человека. Так, люди, попадающие под воздействие мощного радиоизлучения (сотрудники радиолокационных станций, радио- и телепередающих и приемных станций), часто жалуются на плохое самочувствие. У них встречаются функциональные нарушения нервной, сердечно-сосудистой, эндокринной и других систем организма, наблюдается поражение хрусталика глаза. В связи с этим при работе с источниками электромагнитных полей высоких частот (ВЧ) разработаны правила безопасности.
К средствам защиты персонала, обслуживающего ВЧ-, УВЧ-, СВЧ-установки, относятся: экранирование источника излучения или рабочего места, дистанционное управление, применение средств индивидуальной защиты, например специальной одежды (халат с капюшоном из металлизированной ткани, защитные очки и др.).
В настоящее время все большее число людей, даже непосредственно не связанных с работой установок, излучающих электромагнитные волны, попадают под их воздействие. В быт входят все новые электроприборы, работа которых создает комфорт, но может отрицательно сказаться на самочувствии человека. Поэтому следует принимать меры по уменьшению их негативного воздействия на здоровье человека, в том числе ограничивать время работы радиотелефонов, телевизоров, компьютеров; не находиться близко от включенных электроприборов (микроволновой печи, телевизора) и др.
Электромагнитные поля сотовых телефонов
Наиболее вредными являются высокочастотные излучения сантиметрового диапазона. Облучение вызывает нагревание, что может привести к изменениям и даже повреждениям тканей организма. Действие электромагнитных полей на организм проявляется на функциональном расстройстве центральной нервной системы. Субъективные ощущения - повышенная утомляемость, сонливость или нарушение сна и т.д. При систематическом облучении наблюдаются нервно-психические заболевания, изменение кровяного давления, замедление пульса.
Внешние признаки - поредение волос, сухая кожа, желтоватого оттенка, хриплый голос.
Меры безопасности:
-не разговаривайте много по мобильному телефону;
-не подносите телефон к голове сразу же после нажатия кнопки начала набора номера. В этот момент электромагнитное излучение в несколько раз больше, чем во время разговора;
-опасайтесь находиться подолгу вблизи антенны ретранслятора провайдера;
-при выборе телефона отдайте предпочтение аппаратам с внешними антеннами.
Практические занятия:
Излучение и прием электромагнитных волн. Радиосвязь.
Интерференция света. Дифракция света. Законы отражения и преломления света. Полное внутреннее отражение.
Получение спектра с помощью призмы. Получение спектра с помощью дифракционной решетки. Спектроскоп. Оптические приборы.
Лабораторные работы:
Изучение интерференции и дифракции света.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради.
3. Составление отчётов лабораторных работ.
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач и отчётов лабораторных работ.
Вопросы для самоконтроля по теме:
Какой раздел оптики называется геометрической? Волновой?
Что называется дисперсией света? На какие цвета можно разложить, и при каких условиях белый свет? Приведите примеры проявления дисперсии света в природе? Что называется спектральным анализом?
Что называется интерференцией света? Приведите примеры проявления интерференции в природе и использования в технике?
Что называется дифракцией света? Приведите примеры проявления дифракции в природе и использования в технике?
Что называется поляризацией света? Приведите примеры проявления поляризации в природе и использования в технике?
Какие виды волн существуют? По какому принципу их классифицируют? Какие из электромагнитных волн самые опасные для человека?
Раздел 4. СТРОЕНИЕ АТОМА И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА
Тема 4.1.Квантовая оптика
Основные понятия и термины по теме: тепловое излучение, черное тело, квант, фотон, постоянная Планка, фотоэффект, фотоэлектроны, фототок, красная граница фотоэффекта, задерживающее напряжение.
План изучения темы:
Гипотеза Планка о квантах. Фотон.
Фотоэффект. Законы фотоэффекта.
Технические устройства, основанные на использовании фотоэффекта
Волновые и корпускулярные свойства света.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Тела, нагретые до достаточно высоких температур, светятся. Свечение тел, обусловленное нагреванием, называется тепловым (температурным) излучением. Тепловое излучение, являясь самым распространенным в природе, совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества (т. е. за счет его внутренней энергии) и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром, положение максимума которого зависит от температуры. При высоких температурах излучаются короткие (видимые и ультрафиолетовые) электромагнитные волны, при низких - преимущественно длинные (инфракрасные).Тепловое излучение - практически единственный вид излучения, который может быть равновесным. Тепловое излучение – электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии излучающего тела и зависящее только от температуры и оптических свойств этого тела. Тепловое излечение возникает, если температура тела выше температуры окружающей среды. Единственное излучение, способное находиться в термодинамическом равновесии с веществом. Равновесное излучение устанавливается в теплоизолированной системе, все тела которой находятся при одной и той же температуре, или создаётся источником при постоянной его температуре (например, Солнце, у которого постоянная температура поддерживается выделением энергии при термоядерных реакциях).при тепловом излучении потеря атомами энергии на излучение компенсируется за счёт энергии теплового движения атомов и молекул вещества. Чем выше температура тела, тем оно является более интенсивным источником теплового излучения. Кроме того, при увеличении температуры тела его спектр излучения сдвигается в коротковолновую область шкалы электромагнитных колебаний. Наиболее мощным источником теплового излучения является Солнце.
Классическая электродинамика не могла объяснить излучение нагретого тела (теплового излучения). Простая и естественная электродинамическая модель теплового излучения приводила к бессмысленному выводу: любое нагретое тело, непрерывно излучая, должно постепенно потерять всю свою энергию и остыть до абсолютного нуля. Как мы прекрасно знаем, ничего подобного не наблюдается. В ходе решения это проблемы немецкий физик Макс Планк (1858—1947)высказал свою знаменитую гипотезу(1900). Гипотеза о квантах: электромагнитная энергия излучается и поглощается телом не непрерывно, а дискретно, т.е. отдельными порциями – квантами, энергия которых Е пропорциональна частоте ν колебаний. E=h∙ν. (1) - формула Планка, h=6,63∙10-34Дж∙с. Теория Планка объяснила тепловое излучение черного тела. Черное тело – идеальное тело, которое при любой температуре поглощает всю энергию падающего на него электромагнитного излучения произвольной длины (например, сажа, черный бархат).
Эйнштейн в 1905 г. создал квантовую теорию света, согласно которой не только излучение света, но и его распространение происходит в виде потока световых квантов — фотонов, энергия которых определяется соотношением (1), а массаmф=Ec2=hνc2=hλc(2). Фотон - элементарная частица, которая всегда (в любой среде!) движется со скоростью света с и имеет массу покоя, равную нулю. Следовательно, масса фотона отличается от массы таких элементарных частиц, как электрон, протон и нейтрон, которые обладают отличной от нуля массой покоя и могут находиться в состоянии покоя. Фотоны обладают энергией и импульсом и могут обмениваться ими с частицами вещества. Такой обмен импульсом и энергией называется столкновением фотона и частицы. При упругом столкновении фотон меняет направление движения – свет рассеивается. При неупругом столкновении фотон поглощается отдельной частицей или совокупностью частиц вещества – поглощение света. Словом, фотон ведёт себя как частица и поэтому – наряду с электроном, протоном и некоторыми другими частицами – причислен к разряду элементарных частиц.
Выражение для энергии фотона E=h∙ν=m∙c2=hcλ (3).
Обладая энергией, фотон должен обладать и импульсом р. Для фотона, имеющего нулевую массу энергия равна E=p∙c. Отсюда импульс фотона получаем p=Ec=hνc.(4) Направление импульса фотона совпадает с направлением светового луча. Учитывая, соотношение λ=сν, формулу (4) можно переписать
р=hλ(5). В видимом диапазоне наименьшими значениями энергии и импульса обладают фотоны красного света – у них самая маленькая частота (и самая большая длина волны). При движении в сторону фиолетового участка спектра энергия и импульс фотона линейно возрастают с частотой.
Из приведенных рассуждений следует, что фотон, как и любая другая частица, характеризуется энергией, массой и импульсом
Фотоэффект – это явление взаимодействия света с веществом, в результате которого энергия фотонов передаётся электронам вещества. Явление фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем в 1887 году в ходе экспериментов по излучению электромагнитных волн. Герц использовал специальный разрядник (вибратор Герца) – разрезанный пополам стержень с парой металлических шариков на концах разреза. На стержень подавалось высокое напряжение, и в промежутке между шариками проскакивала искра. Так вот, Герц обнаружил, что при облучении шариков ультрафиолетовым светом проскакивание искры облегчалось! Герц был поглощён исследованием электромагнитных волн и не принял данный факт во внимание. Год спустя фотоэффект был независимо открыт русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым. Тщательные экспериментальные исследования, проведённые Столетовым в течение двух лет, позволили сформулировать основные законы фотоэффекта:
1.Число электронов, выбиваемых из катода за секунду, пропорционально интенсивности падающего на катод излучения (при его неизменной частоте).
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта – наименьшая частота света νmin (наибольшая длина волны λmax), при которой возможен фотоэффект. При ν<νmin (λ>λmax) фотоэффект не наблюдается ни при какой интенсивности света.
Существует три вида фотоэффекта:
внешний – вырывание связанных электронов из вещества падающим светом. Открыт Г. Герцем (1887г), изучен А. Столетовым (1888г), объяснен А. Эйнштейном;
внутренний – изменение концентрации носителей тока в веществе, следовательно, изменение электрической проводимости данного вещества под действием света;
вентильный – возникновение под действием света ЭДС в системе, содержащей контакт двух различных полупроводников или полупроводника или металла.
Зависимость фототока от напряжения показана на рисунке.
Фотоэлектроны – электроны, выбиваемые с металлических пластин светом. Фототок – ток, образованный фотоэлектронами. Электроны вылетают из катода с различными скоростями и в разных направлениях; максимальную скорость, которую имеют фотоэлектроны в условиях опыта, обозначим v.
Если напряжение U отрицательно и велико по модулю, то фототок отсутствует. Это легко понять: электрическое поле, действующее на электроны со стороны катода и анода, является тормозящим (на катоде «плюс», а на аноде «минус») и обладает столь большой величиной, что электроны не в состоянии долететь до анода. Начального запаса кинетической энергии не хватает – электроны теряют свою скорость на подступах к аноду и разворачиваются обратно на катод. Максимальная кинетическая энергия вылетевших электронов оказывается меньше, чем модуль работы поля при перемещении электрона с катода на анод: mv22<eU.
Здесь m=9.1∙10-31 кг – масса электрона, e=-1.6∙10-19 Кл – его заряд. Если постепенно увеличивать напряжение, двигаясь слева направо из далёких отрицательных значений напряжения. Поначалу тока по-прежнему нет, но точка разворота электронов становится всё ближе к аноду. Наконец, при достижении напряжения Uзад, которое называется задерживающим напряжением, электроны разворачиваются назад в момент достижения анода (иначе говоря, электроны прибывают на анод с нулевой скоростью). Имеем: mv22=eU. Таким образом, величина задерживающего напряжения позволяет определить максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов. При небольшом превышении задерживающего напряжения появляется слабый фототок. Его формируют электроны, вылетевшие с максимальной кинетической энергией почти перпендикулярно катоду: теперь электронам хватает этой энергии, чтобы добраться до анода с ненулевой скоростью и замкнуть цепь. Остальные электроны, которые имеют меньшие скорости или полетели в сторону от анода, на него не попадают. При повышении напряжения фототок увеличивается. Анода достигает большее количество электронов, вылетающих из катода под большими углами. Фототок присутствует и при нулевом напряжении! Когда напряжение выходит в область положительных значений, фототок продолжает возрастать, т.к. электрическое поле теперь разгоняет электроны, поэтому всё большее их число достигают анода. При достаточно больших положительных значениях напряжения ток достигает своей предельной величины IН, называемой током насыщения, и дальше перестаёт возрастать, т.к. напряжение, ускоряющее электроны, становится настолько велико, что анод захватывает все электроны, выбитые из катода – в каком бы направлении и с какими бы скоростями они не начинали движение. Поэтому дальнейших возможностей увеличиваться у фототока нет.
Задерживающее напряжение Uзад – напряжение, при котором работа задерживающего электрического поля равна максимальной кинетической энергии фотоэлектронов.
Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Уравнение фотоэффекта имеет вид: hν=hcλ=Авых+mv22. Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна: энергия фотона расходуется на работу выхода электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии. Это частный случай закона сохранения и превращения энергии применительно к фотоэффекту.
На явлении фотоэффекта основано действие фотоэлектронных приборов, получивших разнообразное применение в различных областях науки и техники. В настоящее время практически невозможно указать отрасли производства, где бы не использовались фотоэлементы - приемники излучения, работающие на основе фотоэффекта и преобразующие энергию излучения в электрическую. Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Он представляет собой откачанный стеклянный баллон, внутренняя поверхность которого (за исключением окошка для доступа излучения) покрыта фоточувствительным слоем, служащим фотокатодом. В качестве анода обычно используется кольцо или сетка, помещаемая в центре баллона. Фотоэлемент включается в цепь батареи, ЭДС которой выбирается такой, чтобы обеспечить фототок насыщения. Выбор материала фотокатода определяется рабочей областью спектра: для регистрации видимого света и инфракрасного излучения используется кислородно-цезиевый катод, для регистрации ультрафиолетового излучения и коротковолновой части видимого света - сурьмяно-цезиевый. Вакуумные фотоэлементы безынерционны, и для них наблюдается строгая пропорциональность фототока интенсивности излучения. Эти свойства позволяют использовать вакуумные фотоэлементы в качестве фотометрических приборов, например фотоэлектрический экспонометр, люксметр (измеритель освещенности) и т. д. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами. Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве не возобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.
Фотоэлементы с вентильным фотоэффектом, называемые вентильными фотоэлементами (фотоэлементами с запирающим слоем), обладая, подобно элементам с внешним фотоэффектом, строгой пропорциональностью фототока интенсивности излучения, имеют бо́льшую, по сравнению с ними интегральную чувствительность (примерно 2-30 мА/лм) и не нуждаются во внешнем источнике ЭДС К числу вентильных фотоэлементов относятся германиевые, кремниевые, селеновые, купоросные, сернисто-серебряные и др. Кремниевые и другие вентильные фотоэлементы применяются для создания солнечных батарей, непосредственно преобразующих световую энергию в электрическую. Эти батареи уже в течение многих лет работают на космических спутниках и кораблях. КПД этих батарей составляет 10% и, как показывают теоретические расчеты, может быть доведен до 22%, что открывает широкие перспективы их использования в качестве источников электроэнергии для бытовых и производственных нужд. Рассмотренные виды фотоэффекта используются также в производстве для контроля, управления и автоматизации различных процессов, в военной технике для сигнализации и локации невидимым излучением, в технике звукового кино, в различных системах связи и т. д. С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.
Все многообразие изученных свойств и законов распространения света, его взаимодействия с веществом показывает, что свет имеет сложную природу. Он имеет волновую природу, свет – электромагнитная волна, т.к. явления интерференции и дифракции света, характерные для любых волновых процессов, доказывают что свет есть форма волнового материи. Однако явления взаимодействия света и вещества (например, фотоэффект) указывают на то, что свет ведёт себя как поток отдельных частиц. Эти частицы – фотоны – обладают энергией и импульсом, участвуют во взаимодействиях с атомами и электронами. Излучение света – это рождение фотонов. Распространение света – это движение фотонов в пространстве. Отражение и поглощение света – это соответственно упругие и неупругие столкновения фотонов с частицами вещества. Все попытки истолковать указанные явления излучения и поглощения света в рамках волновых представлений классической физики окончились неудачей. Оставалось лишь согласиться с тем, что свет имеет корпускулярную природу ( от латинского слова corpusculum – маленькое тельце, частица), свет – это совокупность фотонов, движущихся в пространстве. Таким образом, свет имеет двойственную, корпускулярно-волновую природу – он может проявлять себя и как частица и как волна. В одних явлениях (интерференция, дифракция) на передний план выходит волновая природа, и свет ведёт себя в точности как волна. Но в других явлениях (фотоэффект) доминирует корпускулярная природа, и свет ведёт себя потоку частиц.
Практические занятия:
Гипотеза Планка.
Фотоэффект. Излучение лазера.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради.
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач и отчётов лабораторных работ.
Вопросы для самоконтроля по теме:
В чём заключается гипотеза Планка?
Что называется фотоэффектом? При каком условии возникает фотоэффект? Сформулировать законы фотоэффекта. От каких факторов зависит работа выхода электрона из вещества? Что необходимо знать, чтобы вычислить скорость фотоэлектронов?
В каких технических устройствах используются законы фотоэффекта?
В чём заключается корпускулярно-волновой дуализм?
Тема 4.2. Физика атома и атомного ядра
Основные понятия и термины по теме: планетарная модель атома, радиоактивность, период полураспада, изотопы, изобары, массовое число, зарядовое число, энергия связи, удельная энергия связи, ядерные силы, ядерные реакции, деление ядер, ядерный реактор, термоядерные реакции.
План изучения темы:
Строение атома: планетарная модель и модель Бора.
Поглощение и испускание света атомом. Квантование энергии. Принцип действия и использование лазера.
Строение атомного ядра. Энергия связи. Связь массы и энергии. Ядерная энергетика.
Радиоактивные излучения и их воздействие на живые организмы.
Краткое изложение теоретических вопросов:
Развитие исследований радиоактивного излучения, с одной стороны, и квантовой теории — с другой, привели к созданию квантовой модели атома Резерфорда — Бора. Но созданию этой модели предшествовали попытки построить модель атома на основе представлений классической электродинамики и механики. В 1904 г. появилась публикация о строении атома, принадлежащая английскому физику Д. Д. Томсону. left0В атоме Томсона положительное электричество «размазано» по сфере, в которую вкраплены, как изюм в пудинг, электроны. В простейшем атоме водорода электрон находится в центре положительно заряженной сферы. При смещении из центра на электрон действует сила электростатического притяжения, под действием которой электрон совершает колебания. Частота этих колебаний определяется радиусом сферы, зарядом и массой электрона, и если радиус сферы имеет порядок радиуса атома, частота этих колебаний совпадает с частотой колебания спектральной линии атома. В многоэлектронных атомах электроны располагаются по устойчивым конфигурациям, рассчитанным Томсоном. Томсон считал каждую такую конфигурацию определяющей химические свойства атомов. Он предпринял попытку теоретически объяснить периодическую систему элементов Д. И. Менделеева. Эту попытку Бор позднее назвал «знаменитой» и указал, что со времени этой попытки «идея о разделении электронов в атоме на группы сделалась исходным пунктом и более новых воззрений». Отметив, что теория Томсона оказалась несовместимой с опытными фактами, Бор, тем не менее, считал, что эта теория «содержит много оригинальных мыслей и оказала большое влияние на развитие атомной теории». Большие успехи в исследовании структуры атомов были достигнуты в опытах Резерфорда по изучению рассеяния быстрых заряженных частиц left0при прохождении через тонкие слои вещества.
Опыт заключался в следующем: Свинцовый контейнер содержал радиоактивный элемент, излучающий α-частицы. В то время было уже известно, что α-частица имеет положительный заряд, равный удвоенному элементарному заряду, и что при потере этого заряда (при присоединении двух электронов) α-частица превращается в атом гелия. Суть опыта: Исследование распределения α-частиц после прохождения золотой плёнки (толщина плёнки 10-6÷ 10-7м). Анализируется, сколько α-частиц попало в каждую точку сферического экрана в трёхмерном пространстве.
Результаты опыта:
– подавляющее количество α-частиц прошло через плёнку металла и попадало на экран непосредственно по ходу α-частиц;
– однако, в любых других точках экрана также регистрировались α-частицы вплоть до 180° отражения.
Анализ привёл к следующему представлению модели атома:
атом по Резерфорду очень рыхл;
атом имеет ядро – малое по сравнению с размерами атома (Rядра≈ 10-15м, Rатома≈ 10-10м);
в ядре сосредоточены положительные заряды;
окружение ядра составляет электроны, так как атом в целом нейтрален;
вся масса атома сосредоточена в ядре.
Представленная Резерфордом модель атома была названа планетарной моделью.
Рассеяние отдельных α-частиц на большие углы Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд в атоме не распределен равномерно в шаре радиусом 10-10м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома (атомном ядре) в области значительно меньших размеров. Расчеты Резерфорда показали, что для объяснения опытов по рассеянию α-частиц нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10-15м. left0Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Как вокруг Солнца на больших расстояниях от него обращаются планеты, так электроны в атоме обращаются вокруг атомного ядра. Радиус круговой орбиты самого далекого от ядра электрона и есть радиус атома. Такая модель атома была названа планетарной моделью. Планетарная модель атома объясняет основные закономерности рассеяния заряженных частиц. Так как большая часть пространства в атоме между атомным ядром и обращающимися вокруг него электронами пуста, быстро заряженные частицы могут почти свободно проникать через довольно значительные слои вещества, содержащие несколько тысяч слоев атомов. При столкновениях с отдельными электронами быстрые заряженные частицы испытывают рассеяние на очень большие углы, так как масса электрона мала. Однако в тех редких случаях, когда быстрая заряженная частица пролетает на очень близком расстоянии от одного из атомных ядер, под действием силы электрического поля атомного ядра может произойти рассеяние заряженной частицы на любой угол до 180°. Недостаток: Атомы по Резерфорду неустойчивы. Со временем, в результате Кулоновского взаимодействия электроны должны были упасть на ядро. Нильс Бор ввел идеи квантовой теории в ядерную модель Резерфорда и разработал теорию атома водорода, в основе которой лежат два постулата. В 1913 г. Н. Бор сформулировал свои знаменитые постулаты:
Первый постулат: электроны могут двигаться в атоме только по определённым орбитам, находясь на которых они, несмотря на наличие у них ускорения, не излучают электромагнитных волн. Эти орбиты соответствуют стационарным состояниям электронов в атоме и определяются условием: me∙vn∙rn=nh2π, где rn – радиус n-ой орбиты; vn – скорость электрона на этой орбите; me – масса электрона me=9,1∙10-31кг; me∙vn∙rn – момент импульса электрона на этой орбите; n =1, 2, 3, 4 …
Второй постулат: атом излучает или поглощает квант электромагнитной энергии при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Энергия кванта равна разности энергий стационарных состояний электрона до Еm и Еn после перехода: hν=Еm-Еn . Атом водорода согласно теории Бора состоит из ядра, включающего один протон и один электрон, который вращается вокруг ядра по круговой орбите. На электрон со стороны ядра действует кулоновская сила притяжения, сообщая ему центростремительное ускорение ацс: 14πε0∙e2rn2=me∙vn2rn или 14πε0∙e2rn2=me∙aцс, где e=1,6∙10-19Кл – элементарный заряд, ε0=8,854187817∙10-12 Ф/м – электрическая постоянная, rn – радиус стационарной орбиты. Разным стационарным орбитам соответствуют разные энергии электронов En: En=-13,6эВn2, n = 1, 2, 3,... Радиус первой боровской орбиты атома водорода r1 ≈ 0,53·10-8 см. Электромагнитное взаимодействие электронов и атомных ядер определяет энергию связи и размеры атомов, размеры молекулярных структур. Радиусы стационарных орбит вычисляются по формуле: rn=h2ε0πmee2.
2. При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную, атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии. Теория Бора позволила объяснить существование линейчатых спектров. Спектр излучения (или поглощения) — это набор волн определенных частот, которые излучает (или поглощает) атом данного вещества. Спектры бывают сплошные, линейчатые и полосатые. Сплошные спектры излучают все 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, Синий и Фиолетовый (Каждый Охотник Желает Знать, где Сидит Фазан). Линейчатые спектры излучают все вещества в атомарном состоянии. Атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только ему 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 своей характер-ной 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 излучаются молекулами. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются отдельные серии линий, воспринимаемые как отдельные полосы. 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. Сплошной спектр имеют тела, находящиеся в твёрдом и жидком состояниях, а также высокотемпературная плазма. Вещества в газообразном атомарном состоянии имеют линейчатый спектр, а в молекулярном – полосатый. Поглощение света веществом зависит от частоты (длины волны). 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 звезд, атмосфер, планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении. Если возбудить каким-либо образом большую часть атомов среды, то при прохождении через вещество электромагнитной волны определённой частоты, она будет усиливаться за счёт индуцированного излучения. Для работы лазера нужна, минимум, трёхуровневая система. Свойства лазерного излучения:
монохроматичность;
когерентность;
малый угол расхождения;
большая мощность.
Резерфорд положил основу ядерной модели атома как целостной системы. Она заключается во взаимодействии ядра атома, находящегося в центре атома и электронов, вращающихся вокруг ядра. Ядро состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Число электронов в атоме равно числу протонов в ядре. Т.к. масса электронов в 2000 раз меньше массы протонов или нейтронов, поэтому вся масса атома сосредоточена в ядре. Разные электроны связаны с ядром в разной степени, некоторые из них атом легко теряет, при этом система переходит в другое состояние, атом становиться положительным ионом. Приобретая дополнительный электрон, атом превращается в отрицательный ион. При поглощении электромагнитного излучения, например света, атом возбуждается и совершает квантовый переход с нижнего уровня на более высокий. В связи с этим говорят об энергетических уровнях атома, которые определяют состояние атома как системы. Атомное ядро как целостная система существует благодаря силам притяжения, связывающих протоны и нейтроны в атомном ядре. Эти силы называются ядерными или сильным взаимодействием. Так как по способности к сильному взаимодействию протон и нейтрон не отличаются друг от друга, поэтому их рассматривают как одну частицу – нуклон. Сильное взаимодействие действует на малых расстояниях (10-15 м) и превосходит электромагнитное и гравитационное, но оно уменьшается с увеличением расстояния. Атомное ядро любого химического элемента состоит из протонов и нейтронов, связанных между собой ядерными силами (сильным взаимодействием). Важнейшими характеристиками ядра являются его заряд Z и масса М. Заряд ядра определяется количеством сосредоточенных в нем положительных элементарных зарядов. Носителем положительного элементарного заряда е= 9 Кл в ядре является протон. Атом в целом нейтрален, и заряд ядра определяет одновременно и число электронов в атоме. Распределение электронов по энергетическим оболочкам существенно зависит от их общего числа в атоме. Поэтому от заряда ядра в значительной мере зависят распределение электронов по их состояниям в атоме и положение элемента в Периодической системе Менделеева. Химические элементы различаются зарядами ядер их атомов (атомными номерами). Масса атома практически совпадает с массой его ядра ввиду того, что масса электронов в атоме мала. Напомним, что масса электрона составляет 1/1836 массы протона. Массы атомов принято выражать в атомных единицах массы (а.е.м.). За атомную единицу массы принята 1/12 массы атома изотопа углерода 12С: 1 а.е.м. = кг. В ядерной физике и физике элементарных частиц массу часто выражают в единицах энергии, исходя из зависимости между массой и энергией, которую установил Эйнштейн: Е0=тс2. Энергия, соответствующая одной атомной единице массы, равна
931,5 МэВ
Массы атомов измерены с большой точностью. Выяснилось, что существуют разновидности атомов данного химического элемента, обладающие равным одинаковым зарядом, но различающиеся массой, — изотопы.
Изотопы – атомы одного и того же элемента, имеющие одинаковое число протонов в ядре (зарядовое число) и разное число нейтронов.
Изобары – атомы различных элементов, имеющих одинаковое массовое число, но разное число протонов.
Измерение масс изотопов показало, что они всегда выражаются в а.е.м. числами, близкими к целым. Напрашивается вывод о том, что в состав атомных ядер непременно входят протоны. Однако из одних протонов ядро состоять не может, ибо массы изотопов (а.е.м.) всех атомов (кроме обычного водорода) превышают численно заряды их ядер, выраженные в элементарных зарядах. По мере увеличения Z это различие возрастает. Для элементов, расположенных в средней части Периодической системы Менделеева, изотопные массы (а.е.м.) примерно в два раза превышают заряды ядер. Для тяжелых ядер это соотношение становится еще большим. Из этого следует, что протоны не могут быть единственными частицами, составляющими ядро. Выход из затруднения был найден, когда Дж. Чадвик, сотрудник Резерфорда, в 1932 г. открыл новую элементарную частицу — нейтрон. Анализируя траектории частиц, возникающих при некоторых ядерных реакциях, и применяя к реакциям законы сохранения импульса и энергии, Чадвик нашел, что в некоторых реакциях участвует новая частица; ее масса почти равна массе протона, чуть превышая ее; электрический заряд ее равен нулю. Вскоре после открытия нейтрона в .1934 г. Д. Д. Иваненко высказал гипотезу о том, что атомные ядра состоят только из протонов и нейтронов. Эта гипотеза была также высказана и подробно разработана количественно В. Гейзенбергом. Эти взгляды очень быстро получили всеобщее признание и явились основой для создания современной теории атомного ядра. Согласно современным представлениям, массовое число А ядра представляет собой общее число частиц — протонов и ней нейтронов, находящихся в ядре. Заряд ядра Z определяет число протонов в ядре. Следовательно, разность А - Z= N дает число нейтронов, содержащихся в ядре данного изотопа. Протоны и нейтроны называют нуклонами, т. е. ядерными частицами (от лат. nucleus — ядро). По современным данным, массы протона и нейтрона равны соответственно
а.е.м. =1836,15152те, тн=1,0086650121а.е.м. = 1838,6826те.Протонно-нейтронная модель хорошо согласуется с экспериментальными данными. Ядра представляют собой устойчивые образования, хотя между протонами существует кулоновское отталкивание. Устойчивость атомных ядер означает, что между нуклонами в ядрах действуют силы притяжения. Изучение связи между нуклонами может быть проведено в известных пределах энергетическими методами без привлечения сведений о характере и свойствах ядерных сил. Ядерные силы – силы, удерживающие протоны и нейтроны внутри ядра. Ядерные взаимодействия являются очень сильными и проявляются на расстояниях, сравнимых с размерами ядра. Полная энергия связи ядра определяется работой, которую нужно совершить для расщепления ядра на составляющие его нуклоны. Из закона сохранения энергии следует, что при образовании ядра из составляющих его нуклонов должна выделяться та же энергия, которую необходимо затратить при расщеплении ядра на составляющие его частицы. Энергия связи – минимальная энергия, необходимая для совершения работы по расщеплению ядра против ядерных сил. Измерение масс ядер показывает, что масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов, т. е. при образовании ядра из нуклонов происходит уменьшение их массы, потеря некоторой ее части. Специальная теория относительности объясняет это явление: уменьшение суммарной массы нуклонов при образовании из них ядра можно объяснить выделением энергии связи. Если обозначить Есв энергию, выделяющуюся при образовании ядра, то соответствующая ей масса Δm = есв/с2 характеризует уменьшение суммарной массы при образовании ядра из составных частиц. Если ядро с массой Мя образовано из Z протонов с массой тр и из А - Z нейтронов с массой тп, то Δm = Zmp + (А - Z)m„ - Мя. Величину Δm называют дефектом массы. Она может служить мерой энергии связи. В самом деле Есв = Δтс2 = [Zmp +(A- Z)mn - Мя]с2. В ядерной физике вводят понятие удельной энергии связи. Так называют энергию связи, приходящуюся на один нуклон в ядре:
У разных ядер различные удельные энергии связи, т. е. разная прочность связей нуклонов в ядрах в зависимости от массового числа. Наиболее прочно связаны нуклоны в ядрах средней части Периодической системы Менделеева, приблизительно при 28 < А< 138. В этих ядрах удельная энергия связи близка к 8,7 МэВ. По мере дальнейшего увеличения числа нуклонов в ядре удельная энергия связи убывает. Для ядер, расположенных в конце периодической системы (например, для урана), она приблизительно составляет 7,6 МэВ.
Ядерная реакция – взаимодействие частицы или атомного ядра с атомным ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое ядро. Такое превращение может сопровождаться испусканием вторичных частиц или гамма-квантов. Первая ядерная реакция в эксперименте была осуществлена Резерфордом в 1919 году при облучении ядер атомов азота альфа-частицами. При столкновении альфа-частицы (ядра атома гелия) с ядром азота происходило превращение ядра атома азота в ядро атома кислорода с выбрасыванием одного протона — ядра атома водорода: . Ядерные реакции под действием заряженных частиц возможны только при высоких значениях энергии частиц из-за того, что кулоновские силы отталкивания препятствуют проникновению заряженных частиц в атомное ядро. Для осуществления ядерных реакций заряженные частицы разгоняют до высоких энергий в ускорителях заряженных частиц. Особый вид ядерных реакций может быть осуществлен при делении тяжелых ядер. Деление ядер – особый вид ядерных реакций, при которых ядро тяжелого элемента делится на две части с одновременным испусканием двух или трёх нейтронов, γ-лучей и значительным выделением энергии. В 1939 году было экспериментально обнаружено, что при попадании нейтрона в ядро атома изотопа урана 235 происходит деление ядра на два или три осколка, процесс деления сопровождается испусканием двух или трех нейтронов. Эти нейтроны способны вызвать деление 2-3 новых ядер урана с испусканием 6-9 новых нейтронов и т. д. Процесс может сам собою продолжаться, вовлекая все большее число новых ядер. Такой процесс называется цепной ядерной реакцией. При делении одного ядра урана выделение энергии составляет примерно 200 МэВ. При делении 1 кг ядер урана выделяется примерно 8∙1013Дж. Это в 2,5 миллиона раз больше выделения энергии при сжигании 1 кг каменного угля. Цепная реакция деления ядер урана не осуществляется в природном уране, поскольку природный уран на 99,3 % состоит из изотопа урана 238 и только на 0,7 % из изотопа урана 235. Способность к делению под действием нейтронов, испущенных в процессе деления, обнаруживают только ядра урана 235. Для использования управляемых цепных ядерных реакций в мирных целях применяются ядерные реакторы. Ядерный реактор – устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер. В ядерном реакторе в качестве ядерного горючего может использоваться смесь изотопов урана 235 и урана 238. Для того чтобы освобождающиеся в процессе деления ядер нейтроны не поглощались бесполезно ядрами урана 238, в реакторах применяются замедлители. Назначение замедлителя состоит в уменьшении скорости движения нейтронов до значений скорости теплового движения. Замедление нейтронов происходит в результате потерь энергии нейтронами при столкновениях с ядрами атомов вещества-замедлителя. Meдленные нейтроны очень слабо взаимодействуют с ядрами изотопа урана 238 и эффективно взаимодействуют с ядрами урана. В качестве вещества-замедлителя нейтронов в реакторах используются вода, графит. Для управления ходом цепной реакции в ядерном реакторе используются управляющие стержни, содержащие изотопы бора или кадмия, эффективно поглощающие тепловые нейтроны. При слиянии лёгких ядер масса покоя уменьшается и должна выделяться значительная энергия. Но подобные реакции могут протекать только при очень высоких температурах. Термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких ядер при очень высокой температуре. При этом ядра должны сблизиться на такое расстояние, чтобы они попали в сферу действия ядерных сил (10-12см), чему препятствует кулоновское отталкивание ядер, которое может быть преодолено за счёт огромной кинетической энергии их теплового движения. Ядерная энергетика (Атомная энергетика) — это отрасль энергетики, занимающаяся производством электрической и тепловой энергии путём преобразования ядерной энергии. Хотя в любой области энергетики первичным источником является ядерная энергия (например, энергия солнечных ядерных реакций в гидроэлектростанциях и электростанциях, работающих на органическом топливе, энергия радиоактивного распада в геотермальных электростанциях), к ядерной энергетике относится лишь использование управляемых реакций в ядерных реакторах. Ядерная энергия производится в атомных электрических станциях, используется на атомных ледоколах, атомных подводных лодках; США осуществляют программу по созданию ядерного двигателя для космических кораблей, кроме того, предпринимались попытки создать ядерный двигатель для самолётов (атомолётов) и «атомных» танков.
Радиоактивность – это самопроизвольное превращение неустойчивого изотопа одного химического элемента из основного или возбужденного состояния в изотоп другого элемента, сопровождающееся испусканием элементарных частиц и электромагнитной энергии. Такие ядра или соответствующие атомы называют радиоактивными. Само явление называется радиоактивным распадом. Количество любого радиоактивного изотопа со временем уменьшается в результате радиоактивного распада, который совершается самопроизвольно в результате внутриядерных процессов. Для каждого радиоактивного вещества скорость распада ядер его атомов постоянна, неизменна и характерна только для данного изотопа. Все радионуклиды распадаются в одном и том же порядке и подчиняются закону радиоактивного распада. Суть закона заключается в том, что за единицу времени распадается одна и та же часть имеющихся в наличии ядер атомов радиоактивного изотопа. Для характеристики скорости распада радиоактивных элементов на практике вместо постоянной распада пользуются периодом полураспада Т1/2, который представляет собой время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер. Для различных радиоактивных элементов период полураспада имеет значения от долей секунд до миллиардов лет. Естественной радиоактивностью называют самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие. Оно сопровождается испусканием определенных частиц и электромагнитного излучения. Естественную радиоактивность наблюдают, как правило, у тяжелых ядер, располагающихся в конце Периодической системе Менделеева, за свинцом. Однако имеются и легкие естественно-радиоактивные ядра: изотопы калия, углерода, рубидия, и редкоземельных элементов патана, самарии, лютеция. Явление это было открыто в 1896 г. А. Беккерелем. Он проводил опыты с солями урана, некоторые из них обладают свойством флуоресцировать, т. е. излучать после возбуждения атомов путем их облучения, и действовать на фотопластинку. Соединения урана, в течение нескольких лет находившиеся в полной темноте, продолжали действовать на фотопластинку без предварительного их облучения, причем наиболее сильное действие оказывал металлический уран. Из этого Беккерель заключил, что уран испускает особое излучение. Исследования показали, что это излучение проникает сквозь тонкие металлические экраны и ионизирует газ, через который оно проходит. Замечательными особенностями обнаруженного излучения оказались его самопроизвольность, постоянство, полная независимость от изменения внешних условий: освещения, давления, температуры, электромагнитных полей. Пьер и Мария Кюри обнаружили, что излучение урановой смоляной руды в четыре раза превосходит по интенсивности излучение урана. Это дало основание искать более мощный источник излучения, чем уран. В 1898 г. они открыли два новых радиоактивных элемента: полоний и радий. Вскоре после открытия полония и радия была установлена не однородность излучения, которое они испускают. Оказалось, что излучение состоит из α- и β -частиц и γ-квантов. При радиоактивном распаде выполняются все законы сохранения — заряда, энергии, импульса. В ядерных реакциях принята определенная символика, связанная с законами сохранения. Каждую частицу (и соответственно каждое ядро) обозначают в виде , где X — химический символ элемента, индекс Z определяет номер элемента в Периодической системе Менделеева и одновременно обозначает зарядовое число — заряд ядра или частицы в электронных единицах. Индекс А— это массовое число (ближайшее целое число к атомной массе элемента).
Реакцию α-распада ядра записывают так
Реакцию β--распада ядра записывают так
Реакцию β+-распада ядра записывают так .
Радиоактивные или, по-другому, ионизирующие излучения объединяют разные по своей физической природе виды излучений. Сходство между ними в том, что все они обладают высокой энергией, реализуют свое биологическое действие через эффекты ионизации и последующее протекание химических реакций в биологических структурах клетки, которые могут привести к ее гибели. Важно отметить, что ионизирующие излучения не воспринимаются органами чувств человека: мы его не видим, не слышим и не чувствуем воздействия на наше тело. Ионизирующие излучения состоят из частиц (заряженных и незаряженных) и квантов электромагнитной энергии. С ними население в любом регионе земного шара встречается ежедневно. Это, прежде всего, так называемый радиационный фон Земли, который складывается из трех компонентов:
– космического излучения, приходящего на Землю из Космоса;
– излучения от находящихся в почве, строительных материалах, воздухе и воде естественных радионуклидов (ЕРН);
– излучения от природных радиоактивных веществ, которые с пищей и водой попадают внутрь организма, фиксируются тканями и могут сохраняться в теле человека в течение всей его жизни.
Кроме того, человек встречается с искусственными источниками излучения, широко применяемыми в народном хозяйстве. Сюда относится, например, ионизирующее излучение, используемое в медицинских целях. Основной вклад в естественный радиационный фон среды вносят радиоактивные вещества, содержащие радионуклиды семейств урана 238, тория 232, калий 40, а также излучения радионуклидов образующихся при взаимодействии космических лучей с элементами атмосферы и земной коры. Это в основном тритий, углерод 14, бериллий 7, кремний 32, натрий 22. Для средних широт космический фон создает мощность экспозиционной дозы на поверхности земли от 1 до 3 мкР/ч. В естественном радиационном фоне выделяют так называемый технологически измененный естественный радиационный фон, который представляет излучения от природных источников, претерпевших определенные изменения в результате хозяйственной деятельности человека. Добываемые полезные ископаемые (фосфаты, сланцы, нефть, газ и увлекаемые с ними пластовые воды) выносят на дневную поверхность многие химические вещества, включая и естественные радионуклиды. Их количественное содержание в земных породах колеблется в широких пределах, в результате чего уровни радиоактивных загрязнений в прилегающих районах различны – от незначительного превышения естественного фона до величин, представляющих определенную опасность для здоровья персонала и населения. Изучение радиоактивности началось с 1933 г., а ее губительного воздействия как компонента ядерной бомбы - с 1945 г. Исследования с целью определения глобального влияния на биосферу антропогенной радиации, ядерного оружия, отходов от производства, действующих АЭС, аварий на них, а также прогнозирование развития атомной энергетики на далекую перспективу были начаты в 1986 г. Быстрое развитие ядерной энергетики и широкое внедрение источников ионизирующих излучений в различных областях науки, техники и народного хозяйства создали потенциальную угрозу радиационной опасности для человека и загрязнения окружающей среды радиоактивными веществами. Поэтому вопросы защиты от ионизирующих излучений (или радиационная безопасность) превращаются в одну из важнейших проблем. Связи между жизнью, здоровьем людей, положением флоры и фауны и современным уровнем радиационного загрязнения всей планеты и отдельных ее регионов очень сложные. Изучение и использование их на благо человека - одно из главных заданий радиоэкологии. Основными аспектами радиоэкологии является изучение радиоактивного фона, характера антропогенных радиоактивных загрязнений геосфер, продуктов питания, организма человека, исследование эффектов и установка нормативов ионизирующего излучения.
Все виды ионизирующего излучения можно подразделить на две группы: электромагнитные, к которым относятся рентгеновское и γ-излучение, и корпускулярные, или излучения ядерных частиц. Рентгеновское и γ-излучения принадлежат к широкому спектру электромагнитных излучений и располагаются в нем вслед за радиоволнами, видимым светом и ультрафиолетовыми лучами. Все эти виды излучений различаются длиной волны. Наиболее короткой длиной волны и, соответственно, наибольшей частотой электромагнитных колебаний в этом спектре обладают γ- и рентгеновское излучения. Чем меньше длина волны, тем выше энергия излучения и больше его проникающая способность. Энергия, например, g-кванта кобальта-60 равна 1,33 МэВ. Источником рентгеновского излучения является Солнце. Но это излучение поглощается земной атмосферой, иначе оно бы губительно действовало на все живое. Рентгеновское излучение также генерируется соответствующими аппаратами (ускорителями) для использования их в целях диагностики и лечения больных. Гамма-излучение (γ-излучение) сопровождает ядерные реакции и распад многих радиоактивных веществ. Энергия γ-излучения может иметь различные значения – от десятков тысяч до миллионов электрон-вольт. Оно может пройти через человеческое тело. В качестве защиты от γ -излучения эффективно используются свинец, бетон или иные материалы с высоким удельным весом. К ионизирующим относятся также излучения разного рода ядерных частиц. К числу легких ядерных частиц принадлежат, например, β-частицы, а к числу тяжелых – α-частицы.
Бета-излучение (β -излучение) – это поток электронов или позитронов. β -частицы обладают элементарным отрицательным (электрон) или положительным (позитрон) зарядом. Они возникают в ядрах атомов при радиоактивном распаде и излучаются оттуда. β -частицы могут проходить сквозь слой воды толщиной 1-2 см. Для защиты от β -излучения, как правило, достаточно листа алюминия толщиной несколько миллиметров. При внешнем облучении β-частицами тела человека на открытых поверхностях кожи могут образовываться радиационные ожоги различной тяжести. В случае поступления источников β-излучения в организм с пищей, водой и воздухом происходит внутреннее облучение организма, способное привести к тяжелому лучевому поражению.
Альфа-излучение (α -излучение) – это поток тяжелых положительно заряженных частиц. Они в 7300 раз тяжелее β-частиц. По своей физической природе α-частицы представляют собой ядра атома гелия: они состоят из двух протонов и двух нейтронов и, следовательно, несут два элементарных положительных электрических заряда. Эти частицы испускаются при радиоактивном распаде некоторых элементов с большим атомным номером (в основном это трансурановые элементы с атомными номерами более 92). α-излучение обладает большой ионизирующей способностью, но проникает в ткани тела человека на очень малую глубину. При облучении человека α-частицы проникают лишь на глубину поверхностного слоя кожи. Защититься от них можно листом обычной бумаги. Их пробег в воздухе не превышает 11 см. Таким образом, в случае внешнего облучения защититься от неблагоприятного действия α-частиц достаточно просто и они, казалось бы, не представляют серьезной угрозы здоровью людей. Положение коренным образом меняется в случае поступления источников α-излучения в организм человека с пищей, водой или воздухом. В этом случае они будут чрезвычайно опасными облучателями организма изнутри.
Нейтроны – нейтральные, не несущие электрического заряда частицы – при оценке радиационной аварийной обстановки могут играть существенную роль. Эти частицы вылетают из ядер атомов при некоторых ядерных реакциях, в частности, при реакциях деления ядер урана или плутония. Нейтроны обладают высокой проникающей способностью. Ионизация среды в поле нейтронного излучения осуществляется заряженными частицами, возникающими при взаимодействии нейтронов с веществом. Отличительной особенностью нейтронного излучения является способность превращать атомы стабильных элементов в их радиоактивные изотопы, что резко повышает опасность нейтронного облучения. От нейтронного излучения хорошо защищают водородсодержащие материалы (парафин, полиэтилен). Вполне естественно, что все защитные мероприятия от воздействия ионизирующих излучений основаны на знании свойств каждого вида излучения, характеристики их проникающей способности, особенностей эффектов ионизации.
Биологический эффект ионизирующего излучения зависит от суммарной дозы и времени воздействия излучения, размеров облучаемой поверхности и индивидуальных особенностей организма. При однократном облучении всего тела человека возможны биологические нарушения в зависимости от суммарной поглощенной дозы излучения. При облучении дозами, в 100-1000 раз превышающими смертельную дозу, человек может погибнуть во время облучения. Поглощенная доза излучения, вызывающая поражение отдельных частей тела, а затем смерть, превышает смертельную поглощенную дозу облучения всего тела. Смертельные поглощенные дозы для отдельных частей тела следующие: голова – 20 (2 000 рад), нижняя часть живота – 30 (5 000 рад), верхняя часть живота – 50(10 000 рад), грудная клетка – 100 (20 000 рад), конечности - 200 Гр. Степень чувствительности различных тканей к облучению неодинакова. Если рассматривать ткани органов в порядке уменьшения их чувствительности к действию излучения, то получим следующую последовательность: лимфатическая ткань, лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, костный мозг, зародышевые клетки. Большая чувствительность кроветворных органов к радиации лежит в основе определения характера лучевой болезни. При однократном облучении всего тела человека поглощенной дозой 0,5 Гр через сутки после облучения может резко сократиться число лимфоцитов (продолжительность жизни которых и без того незначительна - менее 1 сут. Уменьшится также и количество эритроцитов (красных кровяных телец) по истечении двух недель после облучения (продолжительность жизни эритроцитов примерно 100 сут.). У здорового человека насчитывается порядка 10 красных кровяных телец и при ежедневном воспроизводстве 10 , у больного лучевой болезнью такое соотношение нарушается, и в результате погибает организм. Важным фактором при воздействии ионизирующего излучения на организм является время облучения. С увеличением мощности дозы поражающее действие излучения возрастает. Чем более дробно излучение по времени, тем меньше его поражающее действие. Неодинаковую радиочувствительность имеют организмы разного возраста. Чем моложе организм, тем он чувствительнее к радиации, особенно высока она у детей. Взрослый человек в возрасте 25 лет и старше наиболее устойчив к облучению. Чем сложнее организм, тем он больше поражается радиацией. В сложно построенных организмах с их тонкоскоординированными и взаимозависимыми функциями бесчисленных органов и систем намного больше и слабых звеньев, где возникают цепные реакции дезадаптации и патологии. Считается, что биологическая эффективность альфа-частиц и тяжелых ядер в 20 раз выше, а нейтронов и протонов с энергией меньше 10 МеВ в десять раз выше, чем гамма-частиц и рентгеновского излучения. Конечный результат облучения (кроме отдаленных последствий) зависит не столько от полной дозы, сколько от действия ее мощности, или времени, за которое она была накоплена, а также характера ее распределения. Это связано с тем, что в живых организмах в ответ на облучение включаются защитные механизмы системы адаптации и компенсации, которые должны обеспечить стабильность внутренней среды организма (гомеостаз) и обновить нарушенные функции. Результат зависит от соотношения количества поврежденных тканей и защитно-обновляющей способности организма. Внешнее облучение альфа- , а также бета-частицами менее опасно. Они имеют небольшой пробег в ткани и не достигают кроветворных и других внутренних органов. При внешнем облучении необходимо учитывать гамма- и нейтронное облучение, которые проникают в ткань на большую глубину и разрушают ее. Степень поражения организма зависит от размера облучаемой поверхности. С уменьшением облучаемой поверхности уменьшается и биологический эффект. Так, при облучении фотонами поглощенной дозой 450 рад участки тела площадью 6 кв.см заметного поражения не наблюдалось, а при облучении такой же дозой всего тела было 50 % смертельных случаев. Радиоактивные вещества могут попасть внутрь организма при вдыхании воздуха, зараженного радиоактивными элементами, с зараженной пищей или водой и, наконец, через кожу, а также при заражении открытых ран. Попадание твердых частиц в дыхательные органы зависит от степени дисперсности частиц. Из проводившихся над животными опытов установлено, что частицы пыли размером менее 0,1 мкм ведут себя так же, как и молекулы газа, т.е. при вдохе они попадают вместе с воздухом в легкие, а при выдохе вместе с воздухом удаляются. В легких может оставаться только самая незначительная часть твердых частиц. Крупные частицы размером более 5 мкм почти все задерживаются носовой полостью. Гораздо чаще вследствие несоблюдения правил техники безопасности радиоактивные вещества попадают в организм через пищеварительный тракт. Проникновение радиоактивных загрязнений через раны или через кожу можно предотвратить, если соблюдать соответствующие меры предосторожности. Опасность радиоактивных элементов, попадающих тем или иным путем в организм человека, тем больше, чем выше их активность. Степень опасности зависит также от скорости выведения вещества из организма. Если радионуклиды, попавшие внутрь организма, однотипны с элементами, которые потребляются человеком с пищей (натрий, хлор, калий и др.), то они не задерживаются в организме, а выделяются вместе с ними.
Практические занятия:
Строение атомного ядра. Связь массы и энергии. Энергия связи.
Задания для самостоятельного выполнения
1. Проработка конспекта
2. Выполнение заданий в рабочей тетради.
Форма контроля самостоятельной работы: устный опрос, проверка решений задач и отчётов лабораторных работ.
Вопросы для самоконтроля по теме:
В чём заключается гипотеза Планка? Что собой представляет планетарная модель атома Резерфорда? В чём заключается теория атома Бора? Сформулируйте постулаты Бора.
Что называется изотопами? Привести пример изотопов. Что представляет собой протонно-нейтронная модель ядра?
Что такое дефект массы? Формула для вычисления. Что называется энергией связи? Удельной энергией связи? Формулы вычисления.
Какая реакция называется ядерной? Какая реакция называется термоядерной? При каком условии она становится цепной? Что такое ядерный реактор? Что называется ядерной энергетикой? Где используются ядерные реакции?
Что называется радиоактивностью? Кто впервые и в каком году было открыто это явление? Что собой представляют α-, β-частицы и γ-излучение? В чём заключается правило смещение при α-, β-распадах?
Что называется поглощенной дозой излучения? Что такое ППД? Каким образом можно защититься от радиоактивных частиц? Какую пользу и вред приносят радиоактивные частицы?
КОНТРОЛЬ И ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВОСВОЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ
Текущий контроль
Перечень точек рубежного контроля:
Механика;
Молекулярная физика. Термодинамика;
Электродинамика. Электромагнитные явления;
Квантовая и ядерная физика.
Итоговый контроль по дисциплине
Вопросы к экзамену
Механическое движение. Основные характеристики механического движения.
Виды движения: по траектории и по изменению скорости. Основные характеристики и уравнения движений.
Законы Ньютона. Закон всемирного тяготения. Силы в механике.
Законы сохранения в механике. Механическая работа и мощность.
Гармонические колебания. Линейные колебательные системы: математический и пружинный маятники. Превращение энергии при гармонических колебаниях. Вынужденные колебания. Резонанс.
Распространение колебаний в упругих средах. Поперечные и продольные волны. Длина волны. Связь длины волны со скоростью её распространения. Звуковые волны. Характеристики звука.
Основные положения молекулярно-кинетической энергии. Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. Температура и ее измерение. Абсолютная температурная шкала. Абсолютный нуль температуры.
Свойства жидкостей и твердых тел.
Внутренняя энергия. Количество теплоты. Удельная теплоёмкость вещества.
Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Кипение жидкости. Зависимость температуры кипения жидкости от давления. Влажность воздуха.
Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона). Универсальная газовая постоянная. Газовые законы.
Закон сохранения энергии в тепловых процессах (первый закон термодинамики). Второй закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. Следствия из этих законов.
Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда. Электрическое поле. Напряжённость электрического поля. Электрическое поле точечного заряда. Энергия электрического поля.
Электроёмкость. Конденсаторы. Соединение конденсаторов в батарею. Энергия заряженного конденсатора.
Электрический ток в разных средах: металлах, электролитах, газе и вакууме, полупроводниках.
Электрический ток. Условия, необходимые для возникновения и поддержания электрического тока. Сила тока. Законы Ома. Сопротивление проводников. Работа и мощность электрического тока.
Магнитное поле. Характеристики и свойства магнитного поля. Действие электрического поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Закон Ампера.
Переменный электрический ток. Реактивное, ёмкостное и индуктивное сопротивления переменного тока. Закон Ома для электрической цепи переменного тока. Работа и мощность переменного тока. Трансформатор.
Свободные электромагнитные колебания в контуре. Превращение энергии в колебательном контуре. Автоколебания. Собственная частота колебаний в контуре.
Электромагнитная индукция. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца. Явление самоиндукции. Вихревое электрическое поле. Индуктивность. Энергия магнитного поля.
Электромагнитное поле как особый вид материи. Электромагнитные волны. Изобретение радио А.С. Поповым. Радиосвязь. Применение электромагнитных волн.
Электромагнитная природа света. Законы геометрической оптики. Волновые свойства света.
Квантовая гипотеза Планка. Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Постоянная Планка.
Планетарная модель строения атома. Модель атома Резерфорда, постулаты Бора. Излучение и поглощение энергии.
Естественная радиоактивность. Виды радиоактивного излучения. Биологическое действие ионизирующих излучений. Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи атомных ядер. Ядерные реакции. Ядерное оружие.
Практические задания
Найти индуктивность проводника, в котором равномерное изменение силы тока на 2 А в течение 0,25 с возбуждает ЭДС самоиндукции 20 мВ.
Масса грузика, прикреплённого к пружине, равна 100 г. Определите период и частоту его свободных колебаний, если жёсткость пружины 40 Н/м.
Найти температуру газа при давлении 100 кПа и концентрации молекул 1025м-3.
Определить скорость света в прозрачной среде, в которой при угле падения 45о, угол преломления равен 30о.
С каким ускорением двигался при разбеге реактивный самолёт массой 60 т, если тяги двигателей 90кН?
Энергия связи равна 1731,6 МэВ. Определить дефект массы.
Сосуд ёмкостью наполнен азотом под давлением при температуре 27 0С. Определите массу азота в сосуде, если его молярная масса 0,028 кг/моль.
Железнодорожную платформу массой 20 т, движущуюся по горизонтальному участку пути со скоростью 0,5 м/с, догоняет платформа массой 10 т, имеющая скорость 2 м/с. Определите скорость платформ после сцепления.
Конденсатор ёмкостью 5мкФ, заряженный до разности потенциалов 200В, разрядился по проводу за 0,001с. Чему равна средняя сила тока при разрядке?
Два одинаковых металлических шарика, заряд одного из которых первоначально равен -5мкКл, соприкасаются и затем разводят снова. Заряд одного из шариков после соприкосновения равен 3 мкКл. Определить заряд второго шарика до соприкосновения.
Во время грозы человек услышал гром через 15 с после вспышки молнии. Как далеко от него произошел разряд? Скорость звука в воздухе 340 м/с.
При изотермическом расширении идеальный газ совершает работу 20Дж. Какое количество теплоты сообщено газу?
Угол падения луча света на поверхность стекла равен 300. Определить угол преломления, если отражённый и преломлённый луч взаимно перпендикулярны.
Чему равен период колебаний в колебательном контуре, если ёмкость входящего в него конденсатора 10-6Ф, а индуктивность катушки 10-2Гн?
Каким должен быть наименьший объём баллона, чтобы он вмещал 6,4 кг кислорода при температуре 200С, если его стенки выдерживают давление 16 МПа?
Определить энергию магнитного поля в катушке с индуктивностью 0,16 Гн, если сопротивление катушки 0,6 Ом, а напряжение на ней 9 В.
К источнику с ЭДС 12В и внутренним сопротивлением 1Ом подключен реостат, сопротивление которого 5Ом. Найти силу тока в цепи и напряжение на зажимах источника.
Каков КПД идеальной тепловой машины, если температура нагревателя равна 3770С, а температура холодильника 270С?
Определите красную границу фотоэффекта для платины. Работа выхода электрона из платины равна 5,3 эВ.
Газу сообщили 80 кДж теплоты, он совершил работу 200 кДж. Чему равно изменение его внутренней энергии? Как изменилась его температура?
Поезд двигался со скоростью 54 км/ч. При торможении до полной остановки он прошёл 500 м. Определить ускорение и время его движения.
В сосуде находится газ при давлении 0,15 МПа и температуре 2730С. Какое число молекул находится при этих условиях в единице объёма сосуда?
С какой силой взаимодействуют два заряда и , находясь на расстоянии 9см в парафине? в стекле?
Определить напряжённость электрического поля, созданного в воздухе точечным зарядом Кл, удаленный от него на 30см.
Автомобиль массой 1000 кг, двигаясь из состояния покоя проходит за 5 с путь 50 м. Чему равна сила тяги, если сила трения 500 Н?.
Определите, какая энергия соответствует дефекту массы .
Найти температуру газа при давлении 100 кПа и концентрации молекул 1025м-3.
Порожний грузовой автомобиль массой 4 т начал движение с ускорением 0,3 м/с2. Какова масса груза, принятого автомобилем, если при той же силе тяги он трогается с места с ускорением 0,2 м/с2?
Точечный заряд на расстоянии 2 м в вакууме создаёт поле напряжённостью 7200 кВ/м. Определить величину заряда.
Энергия связи ядра атома гелия 28,3 МэВ. Определить дефект массы.
Грузик, колеблющийся на пружине, за 8 с совершил 32 колебания. Найти период и частоту колебаний.
Электрический утюг включен в сеть с напряжением 220 В. Какова сила тока в нагревательном элементе утюга, если сопротивление его 48,4 Ом?
Во время грозы человек услышал гром через 15 с после вспышки молнии. Как далеко от него произошел разряд? Скорость звука в воздухе 340 м/с.
Цепь состоит из трёх последовательно соединённых проводников, подключённых к источнику напряжением 24 В. Сопротивление первого проводника 4 Ом, второго 6 Ом и напряжение на концах третьего проводника 4 В. Найти силу тока в цепи, сопротивление третьего проводника и напряжения на концах первого и второго проводников.
С какой силой действует магнитное поле индукцией 20 мТл на проводник, в котором сила тока 40 А, если длина активной части проводника 0,1 м? Линии индукции поля и ток взаимно перпендикулярны.
Какова внутренняя энергия 10 моль одноатомного газа при 270С?
Пружину жесткостью 100 Н/м растянули на 2 см. Определите её потенциальную энергию в этом состоянии.
Определите красную границу фотоэффекта для платины. Работа выхода электронов из платины 5,3 эВ.
Ядро, летевшее горизонтально со скоростью 20 м/с, разорвалось на два осколка с массами 10 и 5 кг. Скорость меньшего осколка – 90 м/с и направлена также как и скорость ядра до разрыва. Найдите скорость большего осколка.
Прямолинейный проводник длиной 0,5 м движется в однородном магнитном поле с индукцией под углом 300 к вектору магнитной индукции со скоростью 10 м/с. Определите ЭДС индукции, возникающую в нём.
Колеблющейся металлический шарик, подвешенный на длинной нити, проходит положение равновесия со скоростью 0,12 м/с. На какую максимальную высоту он поднимается во время колебаний?
На зажимах дуговой сварочной машины поддерживается напряжение 60 В при силе тока 150 А. Найти ёе сопротивление и потребляемую мощность.
Какая ЭДС самоиндукции возбуждается в обмотке электромагнита индуктивностью 0,4Гн при равномерном изменении силы тока в ней на 5А за 0,02с?
Газ занимал объём 6л при температуре 27о. Какой объём занимает газ, если температура повышается до 30о. Давление неизменное.
Конденсатор ёмкостью 10-6 Ф включён в сеть переменного тока с частотой 50Гц. Определить ёмкостное сопротивление конденсатора.
Определить абсолютный показатель преломления и скорость распространения сета в слюде, если при угле падения светового пучка 540 угол преломления равен 300.
На непрозрачную пластинку с узкой щелью падает нормально параллельный пучок монохроматического света. Угол отклонения лучей, соответствующий первому дифракционному максимуму, φ=300. Определите ширину а щели, если длина волны падающего света λ=0,6мкм.
Найдите длину волны фотона, у которого импульс равен 10-27кг*м/с. Чему равна энергия этого фотона?
Радиоактивное ядро, состоящее из 92 протонов и 146 нейтронов, выбросило α-частицу. Определите, какое ядро образовалось в результате α-распада.
Резонанс в колебательном контуре наступает при частоте 5,3кГц. Определить индуктивность катушки, если ёмкость конденсатора 6мкФ.
ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Основные источники
1.Дмитриева В. Ф. Физика. Учебник для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования. Гриф МО РФ. Академия (Academia). Среднее профессиональное образование - 2011
2.Пинский А.А. Физика. Учебник. Гриф МО РФ. Форум – 2007
3.Дмитриева В. Ф.Задачи по физике. Учебное пособие для студентов образовательных учреждений среднего профессионального образования. Издательский центр «Академия», 2010 -336с
Дополнительные источники
1. Самойленко П.И. Физика (для нетехнических специальностей). Академия (Academia). Среднее профессиональное образование - 2012
2. Акатова Г.С. РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ №1 для практических занятий по дисциплине: «Физика», 2012г.
3. Акатова Г.С. РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ №2 для практических занятий по дисциплине: «Физика», 2012г.
4. Акатова Г.С. РАБОЧАЯ ТЕТРАДЬ для лабораторных работ по дисциплине: «Физика», 2012г.
5. Акатова Г.С. Учебное пособие по дисциплине «Физика» в помощь студентам для самостоятельной работы, 2011г.
Акатова Галина Сергеевна
Преподаватель физики
Г(О)БОУ СПО «Задонский политехнический техникум»
УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС
ПО ДИСЦИПЛИНЕ
ФИЗИКА
«общеобразовательный цикл»
технический профиль
основной профессиональной образовательной программы
по специальностям:
190631 Техническое обслуживание и ремонт
автомобильного транспорта,
140448 Техническая эксплуатация и обслуживание
электрического и электромеханического
оборудования (по отраслям),
260203 Технология мяса и мясных продуктов
Для студентов очной формы обучения