МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ по дисциплине «ФИЗИКА» для обучающихся начального профессионального образования

ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СРЕДНЕГО
ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НИЖНЕКАМСКИЙ ИНДУСТРИАЛЬНЫЙ ТЕХНИКУМ»
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНЫХ РАБОТ
по дисциплине
«Физика»
для обучающихся начального профессионального образования
г. Нижнекамск
2012
Разработала: Евстифеева Ю.А.
преподаватель физики ГАОУ СПО «НИТ»
Методическое пособие предназначено для обучающихся начального профессионального образования.
Пособие содержит примерные контрольные работы, включенные в программу по физике I и II курса начального профессионального образования, все необходимые определения, формулы, законы, входящие в курс физики начального профессионального образования средних учебных заведений.
В пособии по каждой теме дисциплины содержится краткий теоретический материал, образцы решения и оформления примеров, литература, необходимая при изучении материала, а также контрольные вопросы. Данное пособие может использоваться обучающимися в качестве самостоятельной подготовке к контрольной работе и как вариант домашней контрольной работы..
Рассмотрено и одобрено на заседании предметной (цикловой) комиссии преподавателей естественно-математических и экономических дисциплин ГАОУ СПО «Нижнекамский индустриальный техникум».
Протокол №7 от22.03.2012г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
стр.
Методические указания к выполнению контрольной работы 4
ТЕМА №1 «Динамика» 5
ТЕМА № 2 «Основы термодинамики» 10
ТЕМА № 3 «Основы электродинамики» 15
ТЕМА № 4 «Электромагнитные колебания. Трансформатор» 21
ТЕМА № 5 «Квантовая физика» 26
Использованная литература 31

Методические указания к выполнению контрольной работы
В процессе изучения курса физики обучающийся должен выполнить контрольную работу, которая проводится после изучения определенного раздела физики и оценивается преподавателем. Пособие можно применять в качестве самостоятельной подготовке обучающегося к контрольной работе за один или два урока до проведения основной контрольной работы. По полученным результатам обучающийся может сделать вывод о степени усвоения им соответствующего раздела курса, внести коррективы в процессе последующей самостоятельной работы по изучению теоретического материала и получить консультацию преподавателя по исправлению ошибок контрольной работы.
Контрольные работы должны выполняться самостоятельно, так как в противном случае не будет выявлена степень усвоения учебного материала, что необходимо для дальнейшего успешного выполнения контрольной работы.
При выполнении контрольных работ необходимо соблюдать:
Перед написанием контрольной работы обучающийся должен повторить предварительно указанные темы и ответить на контрольные вопросы самостоятельно.
Данные контрольные работы выполняются в обычной школьной тетради.
При выполнении работ обучающийся должен указать тему и номер варианта.
При оформлении и решении задач обучающийся должен придерживаться образца, представленного преподавателем.
Контрольная работа рассчитана на 45 минут.
ТЕМА № 1.
«Динамика»
Цель работы: закрепление теоретических знаний и приобретение практических навыков по применению законов динамики при решении задач.
Студент должен:
знать:
виды сил и их природу;
I, II III законы Ньютона;
формулы для определения сил;
единицы измерения физических величин: масса, ускорение, сила

уметь:
указывать силы, действующие на тело;
определять равнодействующую всех сил, действующих на тело.
применять законы Ньютона для определения силы, ускорения, массы тела.

Теоретический материал
I закон Ньютона: существуют системы отсчета, называемые инерциальными, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела или действие этих тел скомпенсировано.
II закон Ньютона: Ускорение тела прямо пропорционально силе, действующей на него, и обратно пропорционально его массе: a=F∕m
Произведение массы тела на ускорение равно сумме действующих на тело сил: ma=F1+F2+F3……
III закон Ньютона: силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулям и направлены по одной прямой в противоположные стороны. FA=FB
Силы в природе:
Сила, с которой Земля притягивает к себе окружающие ее тела называется силой тяжести: F=mg
Сила, возникающая в результате деформации тел и направленная противоположно деформации называется силой упругости: F=-kx –закон Гука.
Сила с которой тело действует на опору или вертикальный подвес называется весом тела: P=mg(тело покоится или движется прямолинейно и равномерно);P=m(g+a)-тело движется в верх с ускорением а; P=m(g-a)-тело движется вниз с ускорением а.
Сила, возникающая в результате движения одного тела по поверхности другого и направленная в сторону противоположную движению называется силой трения F=μN
Сила, равная сумме всех сил, действующих на тело, называется равнодействующей силой. Если силы направлены вдоль одной прямой в одну сторону, то равнодействующая равна сумме сил действующих на тело, если вдоль одной прямой в разные стороны, то равнодействующая равна разности сил действующих на тело.
Контрольные вопросы:
Какие силы существуют в природе?
Запишите формулы для определения силы тяжести, веса тела, силы упругости и силы трения?
Как определить равнодействующую силу для сил направленных вдоль одной прямой в разные стороны, в одну сторону.?Дайте определение и запишите формулу для нахождения: силы упругости, силы тяжести, силы трения, веса тела.
Укажите силы, действующие на тело, покоящееся на поверхности стола; движущееся по наклонной плоскости.
Сформулируйте законы Ньютона.
Задания контрольной работы:
I Вариант
1.Определите силу, которая телу массой 500г сообщает ускорение 0,4 м/с².
2.Порожний грузовой автомобиль массой 4т начал движение с ускорением 0,3м/с². Какова масса этого автомобиля вместе с грузом, если при той же силе тяги он трогается с места с ускорением 0,2м/с²?
3. С какой силой космонавт массой 70 кг, находящийся в космическом корабле, движущемся вверх с ускорением 40 м/с2, давит на кресло кабины?
4. Определите массу железнодорожного состава, который может вести тепловоз с ускорением 0,1м/с², если он развивает максимальное тяговое усилие 300кН, а сила сопротивления его движению равна 100кН.
5. Рассчитайте силу, которую необходимо приложить, чтобы поднять по наклонной плоскости тело массой 7кг с ускорением 2,4 м/с2, если угол наклона плоскости к горизонту равен 30º. Трением пренебречь.
II Вариант
1.Какова масса автомобиля, движущегося при торможении с ускорением 2м/с², если сила торможения равна 6кН?
2.Определите массу тела, которое в лифте, движущемся вниз с ускорением 5 м/с2, имеет вес, равный 100Н.
3.Сила 15Н действует на тело массой 0,5кг, сообщая ему некоторое ускорение. Какая сила сообщит такое же ускорение телу массой 2кг?
4.Какое ускорение при движении с места сообщит составу массой 3250т электровоз, если он при этом развивает силу тяги 650кН? Сила сопротивлению движению равна 162,5кН.
5. Груз массой 50кг находится на наклонной плоскости длинной 5м и высотой 3м. Найдите силу, необходимую для перемещения груза вверх по наклонной плоскости с ускорением 1м/с2. Трение не учитывать.
Образец выполнения заданий:
1.Рассчитайте силу, которую необходимо приложить к телу массой 6кг, для подъема вверх по наклонной плоскости с ускорением 0,4 м/ с2 и углом наклона 30º. Трением пренебречь.
Дано: Решение:
ym=6кг
NF1а=0,4м/с2
mgxmgyα=300
xmgα
F1 -?

F= ma – 2 закон Ньютона
F = F1+N + mg – равнодействующая всех сил, действующих
на тело.

F1 +N +mg=ma – 2 закон Ньютона так как тело дв-ся вдоль оси ох, то определим проекцию на ось х:
F1х=- F1; Nx =0;
mgx =mgsinα;
ах = -а - F1+ mgsinα =- ma
F1 = ma + mgsinα F1=m(a+g sin α)=6кг ∙(9,8м/с2 sin 300 +0,4м/с2)=
6 кг ∙(9,8м/с2 ∙12 + 0,4м/с2)= 6кг ∙(4,9 м/с 2 +0,4м/с2)=6кг ∙6,3 м/с 2=31,8Н
Ответ:31,8Н
2.Автомобиль движется с ускорением 2м/с2 под действием двух сил: силы тяги 10кН и силы сопротивления движению 4кН. Чему равна масса автомобиля.
Дано: СИ Решение:
F1=10кН 10*103Н
F2=4 кН 4*103Н a a=2м/с2F2 F1x m-?
Задачу решаем с применением 2 закона Ньютона:
F = ma F = F1+F2 F1+F2=ma F1x= F1; F2x= -F2х; ах=а F1-F2 =ma
m= F1 -F2a m=10 ∙103 -4∙103Н 2м/с2 = 6∙103Н 2 м/с2= 3103кг=3т
Ответ:3т
ТЕМА № 2
«Основы термодинамики»
Цель работы: закрепление теоретического материала по разделу основы термодинамики и применение этих знаний для решения задач
Студент должен:
знать:
Понятие внутренней энергии одноатомного идеального газа;
Первый закон термодинамика;
Первый закон термодинамики, применительно к изопроцессам;
Формулировку и смысл второго закона термодинамики;
Понятие идеальной тепловой машины
Понятие коэффициента полезного действия тепловых двигателей;
Принцип действия тепловых машин
уметь:
Применять первый закон термодинамики при решении задач;
Определять внутреннюю энергию одноатомного идеального газа;
Применять первый закон термодинамики к изопроцессам;
Определять коэффициент полезного действия тепловых машин;
Теоретический материал:
1.Внутренняя энергия одноатомного идеального газа зависит только от температуры: U=3/2m/MRT.
2.Согласно первому закону термодинамики изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного при этом системе: ∆U=A+Q
3.Работа совершаемая над системой в термодинамике равна: A=-p∆V. При изохорном процессе работа равна нулю и ∆U=Q; при изотермическом процессе внутренняя энергия идеального газа не меняется и Q=A'; при изобарном процессе передаваемое системе количество теплоты идет на изменение внутренней энергии системы и совершение работы Q=∆U+A'; при адиабатном процессе( в теплоизолированной системе) Q=0, ∆U=A
4.Процессы, протекающие в природе с макроскопическими телами, необратимы. Типичные необратимые процессы таковы: тепло самопроизвольно переходит от горячего тела к холодному, но не наоборот; механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю.
Второй закон термодинамики: невозможно перевести тепло от более холодной системе к более горячей при отсутствии одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах.
6.Из законов термодинамики вытекает, что тепловые двигатели могут совершать работу только в результате передачи тепла от нагревателя к холодильнику.
Максимально возможное значение коэффициента полезного действия теплового двигателя равно: ηmax=(T2-T1)/Т1*100%
Т1-температура нагревателя; Т2-температура холодильника.
Контрольные вопросы:
Сформулируйте определение внутренней энергии газа?
От каких параметров зависит внутренняя энергия газа?
Как можно изменить внутреннюю энергию газа?
Как изменяется температура газа, если он отдает энергии больше, чем получает извне?
Как определить изменение внутренней энергии системы согласно первому закону термодинамики?
Какой процесс называется адиабатным?
Сформулируйте первый закон термодинамики для адиабатного процесса.
Как формулируется второй закон термодинамики?
Какое устройство называют тепловым двигателем?
Какова роль нагревателя, холодильника и рабочего тела в тепловом двигателе?
Что называется коэффициентом полезного действия двигателя?
Контрольная работа №2 по теме «Основы термодинамики»
I Вариант
1.Чему равна внутренняя энергия 5 моль одноатомного газа при температуре 27 ºС?.
2.При адиабатном расширении газ совершил работу 2МДж. Чему равно изменение внутренней энергии газа? Увеличилась она или уменьшилась?
3.Для изобарного нагревания 800 моль газа на 500К газу сообщили количество теплоты 9,4 МДж. Определите работу газа и изменение его внутренней энергии.
4. Газ в идеальном тепловом двигателе отдает холодильнику 60% теплоты, полученной от нагревателя. Какова температура нагревателя, если температура холодильника 200К?
5. Какое количество теплоты необходимо сообщить одному молю идеального одноатомного газа, находящегося в закрытом баллоне при температуре 270С, чтобы повысить его давление в 3 раза?
II Вариант
1.Чему равна внутренняя энергия всех молекул одноатомного идеального газа, имеющего объем 10м³, при давлении 5*105 Па?
2.Какую работу совершает газ, расширяясь при постоянном давлении 200кПа от объема1,6л до 2,6л?
3.Азот имеет объем 2,5л при давлении 100кПа.Рассчитайте, на сколько изменилась внутренняя энергия газа, если при уменьшении его объема в 10 раз давление повысилось в 20 раз.
4.Температуры нагревателя и холодильника идеальной тепловой машины соответственно равны 380К и 280К. Во сколько раз увеличится КПД машины, если температуру нагревателя увеличить на 200К?
5.На сколько изменилась внутренняя энергия 10 моль одноатомного идеального газа при изобарном нагревании на 100К? Какую работу совершил при этом газ и какое количество теплоты ему сообщено?
Образец выполнения заданий:
1. В цилиндре объемом 0,7м3 находится газ при температуре 280К. Определите работу газа при расширении в результате нагревания на 16К, если давление постоянно и равно100кПа.
Дано: СИ Решение:
V=0, 7 м3 1.Процесс протекает при постоянном давление,
Т1=280 К для него А=-А'=p ∆ V=p(V2-V1)
Р=100 кПа 105Па 2.Для изобарного процесса справедлив
∆Т=16 К закон Гей-Люссака
Р=const
А-? QUOTE V1T1=V2T2 QUOTE ;
∆ T =Т2-Т1; Т2=Т1+ ∆ Т=296 К

V2=V1∙T2T1=0,7 м3∙296K280K=0,74м3
А=-А'=p∆V=105Па(0,74 м3-0,7 м3)=0,4*105Па
Ответ:40кДж
2. Температура нагревателя 150ºС, а холодильника- 20ºС. От нагревателя взято 105кДж энергии. Как велика работа, произведенная машиной, если машина идеальная?
Дано: СИ Решение:
t1=1500C Т1=273+1500C =423К
t2=200C
Q1=105кДж 108ДжТ2=273+200C= 293К
А-? η=Q1-Q2Q1A=Q1-Q2 η=A/ ΙQ1Ι
A= ηΙQ1Ι
η=423К-293К423К≈0,31=31% А=0,31108Дж=31106Дж=31МДж
Ответ:31МДж
3. При сообщению газу количества теплоты 6 МДж они расширился и совершил работу 2МДж. Найдите изменение внутренней энергии газа. Увеличилась она или уменьшилась?

Дано: Решение:
Q=6МДж Согласно 1 закону Термодинамики
А'=2МДж ∆U=Q+A(A=-A')
∆U-? ∆U=Q-A'=6МДж -2МДЖ=4МДж
т.к ∆U>0,то внутренняя энергия увеличилась
Ответ:4МДж
ТЕМА № 3
«Основы электродинамики. Часть 1»
Цель работы: овладение практическими навыками и закрепление теоретического материала по основам электродинамики. Часть 1.
Студент должен:
знать:
- формулировку закона Кулона;
- понятие напряженности электрического поля;
- понятие потенциала электрического поля;
- свойства проводников и диэлектриков в электростатическом поле;
- понятие электроемкости конденсатора;
- закон Ома для участка цепи;
- закономерности последовательного и параллельного соединений;
- закон Джоуля-Ленца;
- понятие ЭДС, закон Ома для полной цепи;
- понятие сопротивления проводника и зависимость проводника от его свойств и геометрических параметров;
- закон электролиза (закон Фарадея);
- понятие сверхпроводимости и ее применение.

уметь:
- решать задачи на применение законов электродинамики;
- объяснять механизм проводимости электрического тока в различных средах
Подготовка к работе:
Повторить законы Ома для участка цепи и для полной цепи, закон Кулона, закон сохранения электрического заряда, закон электролиза, закон Джоуля-Ленца.
Повторить основные закономерности последовательного и параллельного соединений.
Теоретический материал:
1.В природе существуют только два вида электрических зарядов. Если два заряженных тела отталкиваются друг от друга, но одно из них притягивается к третьему телу, это означает, что третье тело несет заряд противоположного знака, а так же можно утверждать, что и второе тело, из первых двух, будет притягиваться к третьему телу.
Неподвижные точечные электрические заряды q1 и q2 взаимодействуют в вакууме согласно закону Кулона с силой F=k |q1| |q2/ r2 , где коэффициент k=9*109Нм2/Кл2. Заряд выражается в кулонах.
2.Направленное (упорядоченное) движение заряженных частиц называют электрическим током. Сила тока равна отношению заряда ∆q, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени ∆t, к этому интервалу. Силу тока измеряют в Амперах.
Согласно закону Ома сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению I=U/R. Единица сопротивления в СИ 1Ом.
3. Количество теплоты, выделяемое в проводнике с током, согласно закону Джоуля- Ленца равно: Q=I2R∆t.
4.В цепи для поддержания в ней тока должны существовать непотенциальные сторонние силы той или иной природы. Они действуют внутри источника тока, включаемого в цепь. Отношение работы сторонних сил при перемещении заряда q вдоль замкнутого контура к этому заряду называют электродвижущей силой:ﻉ=Аст/q
5. Сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС к полному сопротивлению цепи: I=ﻉ/R+r.
6. При ионной проводимости прохождения тока сопровождается выделением на электродах веществ, входящих в состав электролитов. Этот процесс называется электролизом и широко применяется в технике.
Масса веществ, выделившегося при электролизе за время ∆t, равна
m=MI∆t/enNAгде М- молярная масса вещества, n-валентность, NA-постоянная Авогадро, e-заряд электрона.
Контрольные вопросы:
Чем объясняется электризация тел при соприкосновении?
Как формируется закон сохранения электрического заряда?
Сформулируйте закон Кулона.
В чем физический смысл коэффициента k?
Назовите основные свойства электрического поля.
Что называется напряженностью электрического поля?
Что такое электрический ток?
Какие условия необходимы для существования электрического тока в проводнике?
Какой величиной определяется сила тока в проводнике?
Назовите единицу измерения силы тока.
Каково назначение источника тока?
Что такоеЭДС?
Сформулируйте закон Ома для участка цепи.
Сформулируйте закон Ома для полной цепи.
Сформулируйте законы параллельного и последовательного соединения.
Какие вещества называют проводниками; диэлектриками и полупроводниками. Приведите примеры.
Сформулируйте закон электролиза. В чем смысл электрохимического эквивалента.
Контрольная работа №3 по теме «Основы электродинамики. Часть 1»
I Вариант
1.При подключенной внешней цепи напряжение на полюсах источника тока, имеющего ЭДС 15В, равно 9В, а сила тока в цепи 1,5А. Каково внутреннее сопротивление источника тока?
2.Какое количество теплоты выделится в проводнике сопротивлением 6 Ом за 20с, если по нему течет ток 4А?
3.Какова масса меди, выделившейся за 1ч на катоде, если сила тока через раствор медного купороса равна 5000А? Электрохимический эквивалент меди 3,28*10-7кг/Кл.
4. Сварочный аппарат присоединяют в сеть медными проводами длиной 100м и площадью поперечного сечения 50 мм2 . Найдите напряжение на проводах, если сила тока равна 125А.
5. Два одинаковых точечных заряда находятся на расстоянии 60см. Их заряды равны 4*10-7Кл и 0,8*10-7Кл. Заряды приводят в соприкосновение, а затем удаляют на прежнее расстояние. Определите силу их взаимодействия после соприкосновения.
6. Рассчитайте общее сопротивление электрической цепи, изображенной на рисунке, если R1=15Oм, R2=5 Ом, R3=10 Ом, R4=10Ом.
II Вариант
1. ЭДС источника тока равна 100В. При замыкании на внешнее сопротивление 49Ом сила тока равна 2А.Каково внутреннее сопротивление источника и сила короткого замыкания?
2.Какое количество теплоты выделится за 1ч в проводнике сопротивлением 1000Ом, по которому течет ток 2мА?
3.При пропускании электрического тока через раствор медного купороса на катоде выделилось 768г меди за 20мин при силе тока 2А. Определите электрохимический эквивалент меди.
4. Кипятильник включен в сеть с напряжением 220В. Чему равна сила тока в спирали, если она сделана из нихромовой проволоки длиной 5м и площадью поперечного сечения 0,1 мм2.
5.Два одинаковых металлических шарика, имеющих заряды 9*10-8Кл и 3*10-8Кл, приведены в соприкосновение и разведены на прежнее расстояние. Определите отношение сил взаимодействия шариков до и после соприкосновения.
6. Рассчитайте общее сопротивление электрической цепи, изображенной на рисунке, если R1=8Oм, R2=8 Ом, R3=3 Ом, R4=3 Ом.
Образец выполнения заданий:
1. Найдите общее сопротивление электрической цепи, изображенной на рисунке, если R1=4Oм, R2=5 Ом, R3=4 Ом, R4=20 Ом, R5=12 Ом, R6=4 Ом.
R3R1


R5 R4
R6R2
Дано: Решение:
R1=4 Ом 1) резисторы R3; R6; R5 соединены последовательно:
R2=5 Ом R3,5,6=R3 +R5 +R6 =4 Ом+12 Ом+4 Ом=20 Ом
R3=4 Ом 2) участок электрической цепи R3,5,6 иR4 соединены R4=20Ом параллельно, т.к.
R3,5,6=R4,то R3,5,6-4 =R42=20 Ом2=10 ОмR5=12 Ом 3) резисторы R1 и R2 соединены последовательно с
участком R3,5,6-4 ;
R6=4 Ом R= R3,5,6-4 +R1 +R2=10 Ом +4 Ом +5 Ом=19 Ом
R-?Ответ:19 Ом
2.Определите сопротивление алюминиевой проволоки длиной 150см, если площадь ее поперечного сечения 0,1мм2.Каково напряжение на концах этой проволоки, если сила тока в ней 0,5А?
Дано: СИ Решение:
L=150 см 1,5м R=p LS=0.028 Ом*мм2/м∙1,5м0,1мм2 =0,42 Ом
S= 0,1мм2 I=UR;
I=0,5А согласно закону Ома U=I*R=0,5А 0,42 Ом= 0,21В
ρ= 0,028 Ом*мм2/м QUOTE Ом ∙мм2м
R-?,U-? Ответ:0,42 Ом;0,21 В
3.Два одинаковых заряженных шарика, имеющих заряды соответственно 5 мкКл и 25мкКл, приводят в соприкосновение и вновь разводят на прежнее расстояние. Во сколько раз изменилась сила их взаимодействия?
Дано: СИ Решение:
q1=5 мл Кл 510-6Кл 1)на основании закона Кулона:
q1=25 мл Кл 2510-6Кл F1=kq1 q2 r12 r1=r2 F2=kq1| q2| r22 F1F2-? F1F2=q1 q2r12q1| q2|r2 F1F2=q1 q2q1| q2|
2) по закону сохранения электрического заряда
q1'=q2'=5 *10-6Кл+25*10-6Кл 2 =1510-6Кл.
F1F2=5 *10-6Кл*25*10-6Кл5 *10-6Кл*15*10-6Кл ; F2F1 =1.8
Ответ:1,8 раза
ТЕМА № 4
«Электромагнитные колебания. Трансформатор»
Цель работы: овладение практическими навыками и закрепление теоретического материала по теме Электромагнитные колебания, трансформатор.
Студент должен:
знать:
Понятие электромагнитных колебаний;
Определение свободных и вынужденных электромагнитных колебаний;
Понятие колебательного контура;
Формулу Томсона для определения периода собственных колебаний;
Определение гармонических колебаний заряда и тока;
Законы гармонических колебаний заряда и тока;
Определение переменного электрического тока;
Формулы для определения емкостного и индуктивного сопротивлений;
Определение резонанса в электрической цепи и условия его возникновения;
Устройство трансформатора и его назначение;
Определение коэффициента трансформации.
уметь:
Объяснять возникновение электромагнитных колебаний с помощью колебательного контура;
Проводить аналогию между механическими и электромагнитными колебаниями;
Определять частоту и период собственных колебаний;
Определять индуктивное и емкостное сопротивления;
Использовать закон изменения силы тока, напряжения и заряда при электромагнитных колебаний для определения их максимального значения, действующего значения, круговую частоту и начальную фазу колебаний;
Объяснять работу трансформатора.
Использовать формулу для определения коэффициента трансформации для решения задач.
Подготовка к работе:
Повторить определение электромагнитных колебаний; свободные и вынужденные электромагнитные колебания.
Повторить формулу Томсона для определения периода собственных электромагнитных колебаний.
Повторить формулы для определения индуктивного и емкостного сопротивлений.
Повторить закон гармонических колебаний заряда и тока.
Повторить формулу для определения коэффициента трансформации.
Теоретический материал:
1. При электромагнитных колебаниях происходят периодические изменения электрического заряда, силы тока и напряжения. Электромагнитные колебания подразделяются на свободные и вынужденные, автоколебания.
2.Простейшей системой, в которой возникают свободные электромагнитные, является колебательный контур. Он состоит из проволочной катушки и конденсатора.
3. Колебания, происходящие по закону косинуса или синуса, называют гармоническими. Максимальное значение заряда qm называется амплитудой колебаний заряда. Величина ω0 называется циклической частотой колебаний и выражается через ν число колебаний в секунду ω0=2πν
q= qmcos ω0t или q= qmsin ω0t
4.Минимальный промежуток времени, через который колебательный процесс полностью повторяется, называется периодом колебания.
T=2π√LC
5.Величину, стоящую под знаком синуса или косинуса, называют фазой колебаний. Фаза определяет состояние колебательной системы в произвольный момент времени при заданной амплитуде колебаний.
6.Вынужденные колебания или переменный ток, возникают в цепи под действием внешнего периодического напряжения
7. При совпадении частоты внешнего переменного напряжения с частотой колебательного контура наступает резонанс- резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний силы тока. Явление резонанса используется при радиосвязи.
8. Переменный электрический ток преобразуется при помощи трансформатора. Трансформатор имеет две обмотки, надетые на стальной сердечник. Его назначение состоит в увеличении или уменьшении напряжения при минимальных потерях энергии. Получаемое изменение напряжения определяется отношением числа витков N1 в первичной обмотке к числу витков N2 во вторичной обмотке: U1/U2=N1/N2
9.Во сколько раз увеличивается (уменьшается) напряжение, во столько же (приблизительно) раз уменьшается (увеличивается) сила тока: U1/U2=I1/I2
Контрольные вопросы:
Что называют электромагнитными колебаниями?
В чем состоит различие между свободными и вынужденными электромагнитными колебаниями?
Что представляет собой колебательный контур?
Как с помощью колебательного контура можно получить электромагнитные колебания?
Как изменится период свободных колебаний, если конденсатор контура заменить другим конденсатором с вдвое большей емкостью?
При каких условиях возникают вынужденные электромагнитные колебания?
Что называют действующими значениями силы тока и напряжения?
При каком условии резонансные свойства контура выявлены отчетливо?
Что такое коэффициент трансформации?
Контрольная работа №4 по теме «Электромагнитные колебания. Трансформатор»
I Вариант
1. Конденсатор емкостью 250мкФ включается в сеть переменного тока. Определите емкостное сопротивление конденсатора при частоте 50 Гц.
2.Напряжение меняется с течением времени по закону u=40sin( 10πt+π/6). Определите амплитуду, действующее значение, круговую частоту колебаний и начальную фазу колебаний напряжения.
3.Рассчитайте период собственных колебаний в колебательном контуре при емкости конденсатора 2мкФ и индуктивности катушки 0,5 мГн.
4.Число витков в первичной обмотке трансформатора в 2 раза меньше числа витков во вторичной обмотке. На первичную обмотку подали напряжение U. Чему равно напряжение на вторичной обмотке?
II Вариант
1.Катушка с индуктивностью35мГн включается в сеть переменного тока. Определите индуктивное сопротивление катушки при частоте 60 Гц.
2.Сила тока в электрической цепи изменяется по закону i=3cos(100πt+π/3)А. Определите амплитуду силы тока, действующее значение силы тока, круговую частоту колебаний и начальную фазу колебаний.
3.Определите частоту собственных колебаний в колебательном контуре, состоящем из конденсатора емкостью2,2мкФ и катушки с индуктивностью 0,65мГн.
4.Число витков в первичной обмотке трансформатора в 2 раза больше числа витков во вторичной обмотке. На первичную обмотку подали напряжение U. Чему равно напряжение на вторичной обмотке трансформатора?
Образец выполнения заданий:
1.В рамке, равномерно вращающейся в однородном магнитном поле, индуцируется ток, мгновенное значение которого выражается формулой i=3sin157t A. Определите амплитуду, действующее значение, круговую частоту колебаний и начальную фазу колебаний силы тока.
Дано:
i=3sin157t A Решение:
Исходя из закона гармонических колебаний силы тока i=Imsin(ωt+φ0) получаем: Im=3А; I= Im/√2=3А/1,4=2,14А; ω=157рад/с; ц0-=0.
Ответ: Im=3А; I=Im/√2=3А/1,4=2,14А; ω=157рад/с; φ0-=0.
Im-?
I-?
ω-?
φ0-? 2.Чему равен период и частота собственных колебаний в колебательном контуре , если индуктивность катушки равна 2,5мГн, а емкость конденсатора 1,5мкФ?
Дано
L=2,5мГн
С=1,5мкФ СИ
2,5*10-3Гн
1,5*10-6Ф Решение:
По формуле Томсона период собственных колебаний определяется формулой: Т=2р√LC=6,28√2,5*
10-3Гн*1,5*10-6Ф=3,8*10-4с=0,38мс
ν=1/Т=1/3,8*10-4с=2,6кГц.
Ответ: 0,38мс;2,6кГц.
Т-?;ν-?ТЕМА № 5
«Квантовая теория электромагнитного излучения»
Цель работы: овладение практическими навыками и закрепление теоретического материала по теме «Квантовая теория электромагнитного излучения».
Студент должен:
знать:
Какие явления изучает квантовая физика;
В чем заключается смысл фотоэффекта;
Основные законы фотоэффекта;
Формулу Эйнштейна для фотоэффекта;
Условия существования фотоэффекта;
Что называют красной границей фотоэффекта;
Формулу для красной границы фотоэффекта
уметь:
Применять формулу Эйнштейна для решения задач и объяснять ее физическую суть;
Применять формулу для красной границы фотоэффекта для решения задач;
Объяснить законы фотоэффекта с точки зрения квантовой физики;
Подготовка к работе:
Повторить смысл фотоэффекта.
Повторить основные законы фотоэффекта.
Повторить формулу Эйнштейна для фотоэффекта.
Повторить формулу для красной границы фотоэффекта.
Контрольные вопросы:
Какие явления изучает квантовая физика?
Какие из физических явлений не смогла объяснить квантовая физика?
Как испускают энергию атомы согласно гипотезе Планка?
Запишите формулу для энергии Планка.
В чем состоит явление фотоэффекта?
Когда и кем было открыто явление фотоэффекта?
Напишите формулу Эйнштейна и объясните ее физическую суть?
Каково условие существования фотоэффекта?
Что называют красной границей фотоэффекта?
Запишите формулу для красной границы фотоэффекта
Теоретический материал:
1.Для объяснения закономерностей теплового излучения М. Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями- квантами. Энергия каждой порции определяется формулой Е=hν, где h=6,63*10-34Дж*с- постоянная Планка, ν- частота света.
2. Поглощается электромагнитная энергия также отдельными порциями. Это подтверждается явлением фотоэффекта. Согласно представлениям Эйнштейна, поглощенная порция энергии hν идет на совершение работы выхода А по вырыванию электрона из металла и на сообщение ему кинетической энергии: hν=A+ mv2/2. Если частота света ν<νьшт=А/h, то фотоэффект не наблюдается.
3. При излучении и поглощении свет обнаруживает корпускулярные свойства. Световая частица называется квантом света или фотоном. Энергия фотона определяется формулой Е=hν=ħω, где ħ=1,05*10-34Дж*с; ω- циклическая частота. Импульс фотона определяется формулой p=h/λ.
4. Свет обладает дуализмом (двойственностью) свойств.
Контрольная работа№5 по разделу «Квантовая теория электромагнитного излучения»
I Вариант
1.Найдите длину волны света, энергия кванта которого равна 3,6*10-19Дж.
2. Красная граница фотоэффекта для вольфрама равна 2,76*10-7м. Рассчитайте работу выхода электрона из вольфрама.
3.Найдите запирающее напряжение для электронов при освещении светом металла с длиной волны 330нм, если красная граница фотоэффекта для металла 620нм.
4. Какой длины волны следует направить лучи на поверхность цинка, чтобы максимальная скорость фотоэлектронов была 2000км/с? Красная граница фотоэффекта для цинка равна 0,35мкм.
II Вариант
1.Какова наибольшая длина света, при которой еще наблюдается фотоэффект. Если работа выхода из металла 3,3*10-19Дж?
2.Энергия фотона равна 6,4*10-19Дж. Определите частоту колебаний этого излучения и массу фотона.
3.Какова максимальная скорость электронов, вырванных с поверхности платины при облучении ее светом с длиной волны 100нм? Работа выхода электронов из платины равна5,3эВ.
4.Фотоэффект у данного металла начинается при частоте света 6*1014Гц. Найдите частоту излучения, падающего на поверхность металла, если вылетающие с поверхности электроны полностью задерживаются разностью потенциалов 3В.
Образец выполнения заданий:
1.Рассчитайте длину световой волны, которую следует направить на поверхность цезия, чтобы максимальная скорость фотоэлектронов была 2*106м/с. Красная граница фотоэффекта для цезия равна 690нм.
Дано:
h=6,63*10-34Дж*с
υ=2*106м/с
λmax=690нм
с=3*108м/с СИ:
690*10-9м Решение:
νmin=А/h; νmin=с/ λmax
А=νmin*h=сh/ λmax=
3*108м/с*6,63*10-34Дж*с/690*10-9м=0,03*10-17Дж;
h=А+mυ2/2=0,03*10-17Дж+ 9,11*10-31кг*(2*106м/с)2\2=21,22*10-19Дж.
hc/λ=21,22*10-19Дж.
λ=hс/21,22*10-19Дж= 6,63*10-34Дж*с*3*108м/с/21,22*10-19Дж.
λ=94нм.
Ответ:94нм
λ-? 2. Красная граница фотоэффекта для вольфрама равна 275нм. Найдите значение запирающего напряжения, если вольфрам освещается светом с длиной волны 175нм.
Дано:
λmax=275нм
λ=175нм
h=6,63*10-34Дж*с
e=1,6*10-19Кл СИ:
275*10-9м
175*10-9м
Решение:
hν=А+mυ2/2;
νmin=А/h;
А= νmin*h=сh/ λmax=3*108м/с*6,63*10-34Дж*с/275
*10-9м=0,07*10-17Дж;
mυ2/2= eUз;
hν=А+ eUз;
hc/λ--А= eUз;
eUз=3*108м/с*6,63*10-34Дж*с/175*10-9м-0,07*10-17Дж=0,04*10-17Дж.
Uз=0,04*10-17Дж./ e=0,04*10-17Дж./ 1,6*10-19Кл=2,5В.
Ответ: 2,5В.
Uз-? ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1.Физика: учебник для общеобразовательных учреждений, 10 класс. Базовый и профильный уровни./ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, С.С. Сотский-18-е издание.- Москва «Просвещение».2009.
2. Физика: учебник для общеобразовательных учреждений, 11 класс../ Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, -18-е издание.- Москва «Просвещение».2009.
3.Физика:дидактические материалы 11 класс.-5-е изд., Москва. Дрофа.2008.
4. Физика:дидактические материалы 10 класс.-5-е изд., Москва. Дрофа.2008.
5.Поурочные разработки по физике 11класс../ В.А.Волков. Москва. «Вако».2009.
6. Поурочные разработки по физике 10 класс../ В.А.Волков. Москва. «Вако».2009.