Реферат: Билеты по физике за весь школьный курс

<i/><i/> Механическоедвижение. Материальная точка.

Механическим движением теланазывается изменение его положения в пространстве относительно других тел стечением времени. Изучает движение тел механика. Движение абсолютно твердоготела (не деформирующегося при движении и взаимодействии), при котором все еготочки в данный момент времени движутся одинаково, называется поступательнымдвижением, для его описания необходимо и достаточно описать движение однойточки тела. Движение, при котором траектории всех точек тела являютсяокружностями с центром на одной прямой и все плоскости окружностейперпендикулярны этой прямой, называется вращательным движением. Тело, формой иразмерами которого в данных условиях можно пренебречь, называется материальнойточкой. Это пренебрежение допустимо сделать тогда, когда размеры тела малы посравнению с расстоянием, которое оно проходит или расстоянием данного тела додругих тел. Чтобы описать движение тела, нужно знать его координаты в любоймомент времени. В этом и залючается основная задача механики.

2. Относительность движения. Система отсчета.Единицы измерения.

Для определения координатматериальной точки необходимо выбрать тело отсчета и связать с ним системукоординат и задать начало отсчета времени. Система координат и указание началаотсчета времени образуют систему отсчета, относительно которой рассматриваетсядвижение тела. Система должна двигаться с постойнной скоростью (или покоиться,что вообще говоря одно и то же). Траектория движения тела, пройденный путь иперемещение – зависят от выбора системы отсчета, т.е. механическое движениеотносительно. Единицей измерения длины является метр, равный расстоянию,проходимому свету в вакууме за />секунды.Секунда – единица измерения времени, равна /> периодамизлучения атома цезия-133.

3. Траектория. Путь и перемещение. Мгновеннаяскорость.

Траекториейтела называется линия, описываемая в пространстве движущейся материальнойточкой. Путь – длина участка траектории от начального до конечного перемещенияматериальной точки. Радиус-вектор /> –вектор, соединяющий начало координат и точку пространства. Перемещение – вектор/>, соединяющий начальную иконечную точки участка траектории, пройденные за время/>. Скорость – физическаявеличина, характеризующая быстроту и направление движения в данный моментвремени. Средняя скорость определяется как/>.Средняя путевая скорость равна отношению пути, пройденному телом за промежутоквремени к этому промежутку.  />.Мгновенная скорость (вектор) – первая производная от радиус-вектора движущейсяточки. />. Мгновенная скоростьнаправлена по касательной к траектории, средняя – вдоль секущей. Мгновеннаяпутевая скорость (скаляр) – первая производная пути по времени, по величинеравна мгновенной скорости />

 

4. Равномерноепрямолинейное движение. Графики зависимости кинематических величин отвремени в равномерном движении. Сложение скоростей.

Движение с постоянной помодулю и направлению скоростью называется равномерным прямолинейным движением.При равномерном прямолинейном движении  тело за любые равные промежутки временипроходит одинаковые расстояния. Если скорость постоянна, то пройденный путьвычисляется как />. Классическийзакон сложения скоростей формулируется следующим образом: скорость движенияматериальной точки по отношению к системе отсчета, принимаемой за неподвижную,равна векторной сумме скоростей движения точки в подвижной системе и скоростидвижения подвижной системы относительно неподвижной. />

5. Ускорение.Равноускоренное прямолинейное движение. Графи­ки зависимости кинематическихвеличин от времени в равноуско­ренном движении.

Движение, при котором тело заравные промежутки времени совершает неодинаковые перемещения, называютнеравномерным движением. При неравномерном поступательном движении скоростьтела изменяется с течением времени. Ускорение (вектор) – физическая величина,характеризующая быстроту изменения скорости по модулю и по направлению.Мгновенное ускорение (вектор) – первая производная скорости по времени. />.Равноускоренным называетсядвижение с ускорением, постоянным по модулю и направлению. Скорость приравноускоренном движении вычисляется как />.

Отсюда формула для пути приравноускоренном движении выводится как

/>

Также справедливы формулы />, выводимая из уравненийскорости и пути при равноускоренном движении.

6. Свободное падение тел.Ускорение свободного падения.

Падением тела называется егодвижение в поле силы тяжести (???). Падение тел в вакууме называетсясвободным падением. Экспериментально установлено, что при свободном падениитела движутся одинаково независимо от своих физических характеристик.Ускорение, с которым падают на Землю тела в пустоте, называется ускорениемсвободного падения и обозначается />

7. Равномерное движение поокружности. Ускорение при равно­мерном движении тела по окружности(центростремительное уско­рение)

Любое движение на достаточномалом участке траектории возможно приближенно рассматривать как равномерноедвижение по окружности. В процессе равномерного движения по окружности значениескорости остается постоянным, а направление вектора скорости изменяется.<рисунок>./>. Вектор ускоренияпри движении по окружности направлен перпендикулярно вектору скорости(направленному по касательной), к центру окружности. Промежуток времени, закоторый тело совершает полный оборот по окружности, называется периодом. />. Величина, обратнаяпериоду, показывающая количество оборотов в единицу времени, называетсячастотой />. Применив эти формулы,можно вывести, что />, или />. Угловая скорость (скоростьвращения) определяется как />.Угловая скорость всех точек тела одинакова, и характеризует движениявращающегося тела в целом. В этом случае линейная скорость тела выражается как />, а ускорение – как />.

Принцип независимостидвижений рассматривает движение любой точки тела как сумму двух движений –поступательного и вращательного. />

 

8. Первый закон Ньютона.Инерциальная система отсчета.

Явление сохранения скороститела при отсутствии внешних воздействий называется инерцией. Первый законНьютона, он же закон инерции, гласит: “существуют такие системы отсчета,относительно которых поступательно движущиеся тела сохраняют свою скоростьпостоянной, если на них не действуют другие тела”. Системы отсчета,относительно которых тела при отсутствии внешних воздействий движутсяпрямолинейно и равномерно, называются инерциальными системами отсчета. Системыотсчета, связанные с землей считают инерциальными, при условии пренебрежениявращением земли.

9. Масса. Сила. Второйзакон Ньютона. Сложение сил. Центр тяжести.

Причиной изменения скороститела всегда является его взаимодействие с другими телами. При взаимодействиидвух тел всегда изменяются скорости, т.е. приобретаются ускорения. Отношениеускорений двух тел одинаково при любых взаимодействиях. Свойство тела, откоторого зависит его ускорение при взаимодействии с другими телами, называетсяинертностью. Количественной мерой инертности является масса тела. Отношениемасс взаимодействующих тел равно обратному отношению модулей ускорений. Второйзакон Ньютона устанавливает связь между кинематической характеристикой движения– ускорением, и динамическими характеристиками взаимодействия – силами. />, или, в более точном виде, />, т.е. скорость измененияимпульса материальной точки равна действующей на него силе. При одновременномдействии на одно тело нескольких сил тело движется с ускорением, являющимсявекторной суммой ускорений, которые возникли бы при воздействии каждой из этихсил в отдельности. Действующие на тело силы, приложенные к одной точке, складываютсяпо правилу сложения векторов. Это положение называют принципом независимостидействия сил. Центром масс называется такая точка твердого тела или системытвердых тел, которая движется так же, как и материальная точка массой, равнойсумме масс всей системы в целом, на которую действуют та же результирующаясила, что и на тело. />. Проинтегрировавэто выражение по времени, можно получить выражения для координат центра масс.Центр тяжести – точка приложения равнодействующей всех сил тяжести, действующихна частицы этого тела при любом положении в пространстве. Если линейные размерытела малы по сравнению с размером Земли, то центр масс совпадает с центромтяжести. Сумма моментов всех сил элементарных тяжести относительно любой оси,проходящей через центр тяжести, равна нулю.

10. Третий закон Ньютона.

При любом взаимодействии двухтел отношение модулей приобретенных ускорений постоянно и равно обратномуотношению масс. Т.к. при взаимодействии тел векторы ускорений имеютпротивоположное направление, можно записать, что />.По второму закону Ньютона сила, действующая на первое тело равна />, а на второе />. Таким образом, />. Третий закон Ньютонасвязывает между собой силы, с которыми тела действуют друг на друга. Если дватела взаимодействуют друг с другом, то силы, возникающие между ними приложены кразным телам, равны по величине, противоположны по направлению, действуют вдольодной прямой, имеют одну и ту же природу.

11. Силы упругости. ЗаконГука.

Сила, возникающая врезультате деформации тела и направленная в сторону, противоположнуюперемещениям частиц тела при этой деформации, называется силой упругости. Опытысо стержнем показали, что при малых по сравнению с размерами тела деформацияхмодуль силы упругости прямо пропорционален модулю вектора перемещениясвободного конца стержня, что в проекции выглядит как />. Эту связь установил Р.Гук,его закон формулируется так: сила упругости, возникающая при деформации тела,пропорциональна удлинению тела в сторону, противоположную направлениюперемещения частиц тела при деформации. Коэффициент k называетсяжесткостью тела, и зависит от формы и материала тела. Выражается в ньютонах наметр. Силы упругости обусловлены электромагнитными взаимодействиями.

12. Силы трения,коэффициент трения скольжения. Вязкое трение (???)

Сила, возникающая на границевзаимодействия тел при отсутствии относительного движения тел, называется силойтрения покоя. Сила трения покоя равна по модулю внешней силе, направленной покасательной к поверхности соприкосновения тел и противоположна ей понаправлению. При равномерном движении одного тела по поверхности другого подвоздействием внешней силы на тело действует сила, равная по модулю движущейсиле и противоположная по направлению. Эта сила называется силой тренияскольжения. Вектор силы трения скольжения направлен против вектора скорости,поэтому эта сила всегда приводит к уменьшению относительной скорости тела. Силытрения также, как и сила упругости, имеют электромагнитную природу, и возникаютза счет взаимодействия между электрическими зарядами атомов соприкасающихсятел. Экспериментально установлено, что максимальное значение модуля силы тренияпокоя пропорционально силе давления. Также примерно равны максимальное значениесилы трения покоя и сила трения скольжения, как примерно равны и коэффициентыпропорциональности между силами трения и давлением тела на поверхность.

13. Гравитационные силы.Закон всемирного тяготения. Сила тя­жести. Вес тела.

Из того, что тела независимоот своей массы падают с одинаковым ускорением, следует, что сила, действующаяна них, пропорциональна массе тела. Эта сила притяжения, действующая на всетела со стороны Земли, называется силой тяжести. Сила тяжести действует налюбом расстоянии между телами. Все тела притягиваются друг к другу, силавсемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс и обратнопропорциональна квадрату расстояния между ними. Векторы сил всемирного тяготениянаправлены вдоль прямой, соединяющей центры масс тел. />, G – Гравитационнаяпостоянная, равна />. Весом теланазывается сила, с которой тело вследствие силы тяжести действует на опору илирастягивает подвес. Вес тела равен по модулю и противоположен по направлениюсиле упругости опоры по третьему закону Ньютона. По второму закону Ньютона еслина тело более не действует ни одна сила, то сила тяжести тела уравновешиваетсясилой упругости. Вследствие этого вес тела на неподвижной или равномернодвижущейся горизонтальной опоре равен силе тяжести. Если опора движется сускорением, то по второму закону Ньютона />,откуда выводится />. Это означает,что вес тела, направление ускорения которого совпадает с направлением ускорениясвободного падения, меньше веса покоящегося тела.

14. Движение тела под действием силы тяжести повертикали. Дви­жение искусственных спутников. Невесомость. Первая космическаяскорость.

При бросании тела параллельноземной поверхности дальность полета будет тем большей, чем больше начальнаяскорость. При больших значениях скорости также необходимо принимать в расчетшарообразность земли, что отражается в изменении направления вектора силытяжести. При некотором значении скорости тело может двигаться вокруг Земли поддействием силы всемирного тяготения. Эту скорость, называемую первойкосмической, можно определить из уравнения движения тела по окружности />. С другой стороны, из второгозакона Ньютона и закона всемирного тяготения следует, что />. Таким образом, нарасстоянии R от центра небесного тела массой М перваякосмическая скорость равна/>. Приизменении скорости тела меняется форма его орбиты с окружности на эллипс. Придостижении второй космической скорости, равной /> орбитастановится параболической.

15. Импульс тела. Законсохранения импульса. Реактивное движе­ние.

По второму закону Ньютонанезависимо от того, находилось ли тело в покое или двигалось, изменение егоскорости может происходить только при взаимодействии с другими телам. Если натело массой m в течение времени t действуетсила /> и скорость его движенияизменяется от /> до />, то ускорение тела равно />. На основании второгозакона Ньютона для силы /> можнозаписать />. Физическая величина,равная произведению силы на время ее действия, называется импульсом силы.Импульс силы показывает, что существует величина, одинаково изменяющаяся у всехтел под воздействием одинаковых сил, если время действия силы одинаково. Этавеличина, равная произведению массы тела на скорость его движения, называетсяимпульсом тела. Изменение импульса тела равно импульсу силы, вызвавшей этоизменение. Возьмем два тела, массами /> и />, движущиеся со скоростями />и />. По третьему закону Ньютонасилы, действующие на тела при их взаимодействии, равны по модулю ипротивоположны по направлению, т.е. их можно обозначить как /> и /> . Для изменений импульсовпри взаимодействии можно записать />. Изэтих выражений получим, что />, тоесть векторная сумма импульсов двух тел до взаимодействия равна векторной суммеимпульсов после взаимодействия. В более общем виде закон сохранения импульсазвучит так: Если/>, то />.

16. Механическая работа. Мощность. Кинетическая ипотенциаль­ная энергия.

Работой А постояннойсилы /> называется физическаявеличина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному накосинус угла между векторами /> и/>. /> . Работа является скалярнойвеличиной и может иметь отрицательное значение, если угол между векторамиперемещения и силы более />. Единицаработы называется джоулем, 1 джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 ньютонпри перемещении точки ее приложения на 1 метр. Мощность – физическая величина,равная отношению работы к промежутку времени, в течение которого эта работасовершалась. />. Единима мощностиназывается ваттом, 1 ватт равен мощности, при которой работа в 1 джоульсовершается за 1 секунду. Допустим, что на тело массой mдействует сила /> (которая можетвообще говоря быть равнодействующей нескольких сил), под действием которой телоперемещается на в направлении вектора />.Модуль силы по второму закону Ньютона равен ma, а модульвектора перемещения /> связан сускорение и начальной и конечной скоростями как/>.Отсюда для работы получается формула />.Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадратскорости называется кинетической энергией. Работа равнодействующей сил,приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии. Физическая величина,равная произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и высоту,на которую поднято тело над поверхностью с нулевым потенциалом, называютпотенциальной энергией тела. Изменение потенциальной энергии характеризуетработу силы тяжести по перемещении тела. Эта работа равна изменениюпотенциальной энергии, взятому с противоположным знаком. Тело находящееся нижеповерхности земли, имеет отрицательную потенциальную энергию. Потенциальнуюэнергию имеют не только поднятые тела. Рассмотрим работу, совершаемую силойупругости при деформации пружины. Силу упругости прямо пропорциональнадеформации, и ее среднее значение будет равно/>,работа равна произведению силы на деформацию/>,или же />. Физическая величина,равная половине произведения жесткости тела на квадрат деформации называетсяпотенциальной энергией деформированного тела. Важной характеристикойпотенциальной энергии является то, что тело не может обладать ею, невзаимодействуя с другими телами.

17.Законы сохранения энергии в механике.

Потенциальная энергияхарактеризует взаимодействующие тела, кинетическая – движущиеся. И та, и другаявозникают в результате взаимодействия тел. Если несколько тел взаимодействуюмежду собой только силами тяготения и силами упругости, и никакие внешние силына них не действуют (или же их равнодействующая равна нулю), то при любыхвзаимодействиях тел работа сил упругости или сил тяготения равна изменениюпотенциальной энергии, взятой с противоположным знаком. В то же время, потеореме о кинетической энергии (изменение кинетической энергии тела равноработе внешних сил)  работа тех же сил равна изменению кинетической энергии. />. Из этого равенстваследует, что сумма кинетической и потенциальной энергий тел, составляющихзамкнутую систему и взаимодействующих между собой силами тяготения и упругости,остается постоянной. Сумма кинетической и потенциальной энергий тел называетсяполной механической энергией. Полная механическая энергия замкнутой системытел, взаимодействующих между собой силами тяготения и упругости, остаетсянеизменной. Работа сил тяготения и упругости равна, с одной стороны, увеличениюкинетической энергии, а с другой – уменьшению потенциальной, то есть работаравна энергии, превратившейся из одного вида в другой.

18. Простые механизмы (наклонная плоскость, рычаг, блок)их применение.

Наклонная плоскость применяетсядля того, чтобы тело большой массы можно было переместить действием силы,значительно меньшей веса тела. Если угол наклонной плоскости равенa, то для перемещения тела вдоль плоскостинеобходимо применить силу, равную />.Отношение этой силы к весу тела при пренебрежении силой трения равно синусуугла наклона плоскости. Но при выигрыше в силе нет выигрыша в работе, т.к. путьувеличивается в /> раз. Этотрезультат является следствием закона сохранения энергии, так как работа силы тяжестине зависит от траектории подъема тела.

Рычаг находится в равновесии, еслимомент сил, вращающий его по часовой стрелке равен моменту ил, вращающих рычагпротив часовой стрелки. Если направления векторов сил, приложенных к рычагу,перпендикулярны кратчайшим прямым, соединяющим точки приложения сил и осьвращения, то условия равновесия принимает вид/>.Если />, то рычаг обеспечиваетвыигрыш в силе />. Выигрыш в силене дает выигрыша в работе, т.к. при повороте на угол a сила /> совершает работу/>, а сила /> совершает работу />. Т.к. по условию />, то />.

Блок позволяет изменятьнаправление действия силы. Плечи сил, приложенных к разным точкам неподвижногоблока, одинаковы, и поэтому выигрыша в силе неподвижный блок не дает. Приподъеме груза с помощью подвижного блока получается выигрыш в силе в два раза,т.к. плечо силы тяжести вдвое меньше плеча силы натяжения троса. Но привытягивании троса на длину l груз поднимается навысоту l/2, следовательно, неподвижный блоктакже не дает выигрыша в работе.

19. Давление. Закон Паскаля дляжидкостей и газов.

Физическаявеличина, равная отношению модуля силы, действующей перпендикулярно поверхностик площади это поверхности, называется давлением. Единица давления – паскаль,равный давлению, производимому силой в 1 ньютон на площадь в 1 квадратный метр.Все жидкости и газы передают производимое на них давление во все стороны.

20. Сообщающиеся сосуды.Гидравлический пресс. Атмосферное давление. Уравнение Бернулли.

Вцилиндрическом сосуде сила давления на дно сосуда равна весу столба жидкости.Давление на дно сосуда равно/>, откудадавление на глубине h равно />. Настенки сосуда действует такое же давление. Равенство давлений жидкости на однойи той же высоте приводит к тому, что в сообщающихся сосудах любой формысвободные поверхности покоящейся однородной жидкости находятся на одном уровне(в случае пренебрежимо малости капиллярных сил). В случае неоднородной жидкостивысота столба более плотной жидкости будет меньше высоты менее плотной. Наоснове закон Паскаля работает гидравлическая машина. Она состоит из двухсообщающихся сосудов, закрытых поршнями разных площадей. Давление, производимоевнешней силой на один поршень, передается по закону Паскаля на второй поршень. />. Гидравлическая машина даетвыигрыш в силе во столько раз, во сколько площадь ее большого поршня большеплощади малого.

Пристационарном движении несжимаемой жидкости справедливо уравнение неразрывности />. Для идеальной жидкости, вкоторой можно пренебречь вязкостью (т.е. трением между ее частицами)математическим выражением закон сохранения энергии является уравнение Бернулли />.

 

21. Опыт Торричелли.Изменение атмо­сферного давления с высотой.

Под действием силы тяжести верхниеслои атмосферы давят на нижележащие. Это давление согласно закону Паскаляпередается по всем направлениям. Наибольшее значение это давление имеет уповерхности Земли, и обусловлено весом столба воздуха от поверхности до границыатмосферы. При увеличении высоты уменьшается масса слоев атмосферы, давящих наповерхность, следовательно, атмосферное давление с высотой понижается. Науровне моря атмосферное давление равно 101 кПа. Такое давление оказывает столбртути высотой 760 мм. Если в жидкую ртуть опустить трубку, в которой создан вакуум,то под действием атмосферного давления ртуть поднимется в ней  на такую высоту,при которой давление столба жидкости станет равным внешнему атмосферномудавлению на открытую поверхность ртути. При изменении атмосферного давлениявысота столба жидкости в трубке также изменится.

22. Архимедова сила дня жидкостей и газов. Условияплавания тел.

Зависимость давления в жидкости игазе от глубины приводит к возникновению выталкивающей силы, действующей налюбое тело, погруженное в жидкость или газ. Эту силу называют архимедовойсилой. Если в жидкость погрузить тело, то давления на боковые стенки сосудауравновешиваются друг другом, а равнодействующая давлений снизу и сверхуявляется архимедовой силой. />, т.е.силы, выталкивающая погруженное в жидкость (газ) тело, равна весу жидкости(газа), вытесненной телом. Архимедова сила направлена противоположно силетяжести, поэтому при взвешивании в жидкости вес тела меньше, чем в вакууме. Натело, находящееся в жидкости, действует сила тяжести и архимедова сила. Еслисила тяжести по модулю больше – тело тонет, меньше – всплывает, равны – можетнаходиться в равновесии н любой глубине. Эти отношения сил равны отношениямплотностей тела и жидкости(газа).

23. Основные положениямолекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Броуновское движение.Масса и размер мо­лекул.

Молекулярно-кинетическойтеорией называется учение о строении и свойствах вещества, использующеепредставление о существовании атомов и молекул как наименьших частиц вещества.Основные положения МКТ: вещество состоит из атомов и молекул, эти частицхаотически движется, частицы взаимодействую друг с другом. Движение атомов имолекул и их взаимодействие подчиняется законам механики. Во взаимодействиимолекул при их сближении сначала преобладают силы притяжения. На некоторомрасстоянии между ними возникают силы отталкивания, превосходящие по модулю силыпритяжения. Молекулы и атомы совершают беспорядочные колебания относительноположений, где силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга. Вжидкости молекулы не только колеблются, но и перескакивают из одного положенияравновесия в другое (текучесть). В газах расстояния между атомами значительнобольше размеров молекул (сжимаемость и расширяемость). Р.Броун в начале 19 векобнаружил, что в жидкости беспорядочно движутся твердые частицы. Это явлениемогла объяснить только МКТ,. Беспорядочно движущиеся молекулы жидкости или газасталкиваются с твердой частицей и изменяют направление и модуль скорости еедвижения (при этом, разумеется, изменяя и свое направление и скорость). Чемменьше размеры частицы тем более заметными становятся изменение импульса. Любоевещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считатьпропорциональным количеству частиц. Единица количества вещества называетсямоль. Моль равен количеству вещества, содержащей столько атомов, сколькосодержится их в 0.012 кг углерода 12С. Отношение числа молекул кколичеству вещества называют постоянной Авогадро: />.Количество вещества можно найти как отношение числа молекул к постояннойАвогадро. Молярной массой M называется величина, равная отношению массы вещества mк количеству вещества />. Молярная массавыражается в килограммах на моль. Молярную массу можно выразить через массумолекулы m: />.

24. Идеальный газ. Основное уравнениемолекулярно-кинетической теории идеального газа.

Для объяснения свойстввещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. В этоймодели предполагается следующее: молекулы газа обладают пренебрежимо малымиразмера по сравнению с объемом сосуда, между молекулами не действуют силыпритяжения, при соударении друг с другом и стенками сосуда действуют силыотталкивания. Качественное объяснение явления давления газа заключается в том,что молекулы идеального газа при столкновениях со стенками сосудавзаимодействуют с ними как упругие тела. При столкновении молекулы со стенкойсосуда проекция вектора скорости на ось, перпендикулярную стенке, меняется напротивоположную. Поэтому при столкновении проекция скорости меняется от –mvx до mvx, и изменение импульса равно />. Во время столкновениямолекула действует на стенку с силой, равной по третьему закону Ньютона силе,противоположной по направлению. Молекул очень много, и среднее значениегеометрической суммы сил, действующих со стороны отдельных молекул, и образуетсилу давления газа на стенки сосуда. Давление газа равно отношению модуля силыдавления к площади стенки сосуда: p=F/S.Предположим, что газ находится в кубическом сосуде. Импульс одной молекулысоставляет 2mv, одна молекула воздействует на стенку в среднем ссилой 2mv/Dt. Время Dt движения от одной стенки сосуда к другой равно 2l/v,следовательно, />. Сила давления настенку сосуда всех молекул пропорциональна их числу, т.е. />.  Из-за полной хаотичностидвижения молекул движение их по каждому из направлений равновероятно и равно1/3 от общего числа молекул. Таким образом, />.Так как давление производится на грань куба площадью l2, то давление будетравно/>. Это уравнение называетсяосновным уравнением молекулярно-кинетической теории. Обозначив за /> среднюю кинетическуюэнергию молекул, получим/>.

 

25. Температура, ее измерение. Абсолютная температурнаяшкала. Скорость молекул газа.

Основное уравнение МКТ дляидеального газа устанавливает связь между микро- и макроскопическимипараметрами. При контакте двух тел изменяются их макроскопические параметры.Когда это изменение прекратилось, говорят, что наступило тепловое равновесие.Физический параметр, одинаковый во всех частях системы тел, находящихся всостоянии теплового равновесия, называют температурой тела. Опыты показали, чтодля любого газа, находящегося в состоянии теплового равновесия, отношениепроизведения давления на объем к количеству молекул есть одинаково />. Это позволяет принятьвеличину /> в качестве мерытемпературы. Так как n=N/V, то с учетом основного уравнения МКТ/>, следовательно, величина /> равна двум третям среднейкинетической энергии молекул.  />, где k– коэффициент пропорциональности, зависящий от шкалы. В левой части этогоуравнения параметры неотрицательны. Отсюда – температура газа при котором егодавление при постоянном объеме равно нулю, называют абсолютным нулемтемпературы. Значение этого коэффициента можно найти по двум известнымсостояниям вещества с известными давлением, объемом, числом молекултемпературе. />. Коэффициент k,называемый постоянной Больцмана, равен />.Из уравнений связи температуры и средней кинетической энергии следует/>, т.е. средняя кинетическаяэнергия хаотического движения молекул пропорциональна абсолютной температуре. />, />/>.Это уравнение показывает, что при одинаковых значениях температуры иконцентрации молекул давление любых газов одинаково.

26. Уравнение состояния идеального газа (уравнениеМенделеева-Клапейрона). Изотермический, изохорный и изобарный процессы.

Используя зависимостьдавления от концентрации и температуры, можно найти связь междумакроскопическими параметрами газа – объемом, давлением и температурой. />. Это уравнение называютуравнением состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона).

Изотермическим процессомназывается процесс, протекающий при постоянной температуре. Из уравнениясостояния идеального газа следует, что при постоянной температуре, массе исоставе газа произведение давления на объем должно оставаться постоянным.Графиком изотермы (кривой изотермического процесса) является гипербола.Уравнение /> называют закономБойля-Мариотта.

Изохорным процессомназывается процесс, протекающий при неизменном объеме, массе и составе газа.При этих условиях/>, где /> – температурный коэффициентдавления газа. Это уравнение называется законом Шарля. График уравненияизохорного процесса называется изохорой, и представляет из себя прямую,проходящую через начало координат.

Изобарным процессом называетсяпроцесс, протекающий при неизменном давлении, массе и составе газа. Аналогичнымобразом как и для изохорного процесса можно получить уравнение для изобарногопроцесса />. Уравнение, описывающееэтот процесс, называется законом Гей-Люссака. График уравнения изобарногопроцесса называется изобарой, и представляет из себя прямую, проходящую черезначало координат.

27. Внутренняя энергия. Работа в термодинамике.

Если потенциальная энергиявзаимодействия молекул равна нулю, то внутренняя энергия равна суммекинетических энергий движения всех молекул газа />.Следовательно, при изменении температуры изменяется и внутренняя энергия газа.Подставив в уравнение для энергии уравнение состояния идеального газа, получим,что внутренняя энергия прямо пропорциональная произведению давления газа наобъем. />. Внутренняя энергия теламожет изменяться только при взаимодействии с другими телам. При  механическомвзаимодействии тел (макроскопическом взаимодействии) мерой передаваемой энергииявляется работаА. При теплообмене (микроскопическом взаимодействии)мерой передаваемой энергии является количество теплотыQ.В неизолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии DU равносумме переданного количества теплоты Q и работывнешних сил А. Вместо работы А, совершаемой внешними силами,удобнее рассматривать работуА`, совершаемую системой над внешнимителами. А=–А`. Тогда первый закон термодинамики выражается как/>, или же/>. Это означает, что любаямашина может совершать работу над внешними телами только за счет полученияизвне количества теплоты Q  или уменьшения внутренней энергии DU. Этотзакон исключает создание вечного двигателя первого рода.

28. Количество теп­лоты. Удельная теплоемкость вещества.Закон сохранения энергии в тепловых процессах (первый закон термодинамики).

Процесс передачи теплоты отодного тела к другому без совершения работы называют теплообменом. Энергия,переданная телу в результате теплообмена, называется количеством теплоты. Еслипроцесс теплопередачи не сопровождается работой, то на основании первого законатермодинамики/>. Внутренняя энергия телапропорциональна массе тела и его температуре, следовательно />. Величина сназывается удельной теплоемкостью, единица – />.Удельная теплоемкость показывает, какое количество теплоты необходимо передатьдля нагревания 1 кг вещества на 1 градус. Удельная теплоемкость не являетсяоднозначной характеристикой, и зависит от работы, совершаемой телом притеплопередаче.

При осуществлении теплообменамежду двумя телами в условиях равенства нулю работы внешних сил и в тепловойизоляции от других тел, по закону сохранения энергии />. Если изменение внутреннейэнергии не сопровождается работой, то />,или же />, откуда />. Это уравнение называетсяуравнением теплового баланса.

29. Применение первого закона термодинамики кизопроцессам. Адиабатный про­цесс. Необратимость тепловых процессов.

Одним из основных процессов,совершающих работу в большинстве машин, является процесс расширения газа ссовершением работы. Если при изобарном расширении газа от объема V1до объема V2 перемещение поршняцилиндра составило l, то работа Aсовершенная газом равна />, или же/>. Если сравнить площади подизобарой и изотермой, являющиеся работами, можно сделать вывод, что при одинаковомрасширении газа при одинаковом начальном давлении в случае изотермическогопроцесса будет совершено меньше количество работы.  Кроме изобарного,изохорного и  изотермического процессов существует т.н. адиабатный процесс.Адиабатным называется процесс, происходящий при условии отсутствия теплообмена.Близким к адиабатному может считаться процесс быстрого расширения или сжатиягаза. При этом процессе работа совершается за счет изменения внутреннейэнергии, т.е. />, поэтому при адиабатномпроцессе температура понижается. Поскольку при адиабатном сжатии газатемпература газа повышается, то давление газа с уменьшением объема растетбыстрее, чем при изотермическом процессе.

Процессы теплопередачисамопроизвольно осуществляются только в одном направлении. Всегда передачатепла происходит к более холодному телу. Второй закон термодинамики гласит, чтонеосуществим термодинамический процесс, в результате которого происходила быпередача тепла от одного тела к другому, более горячему, без каких-либо другихизменений. Этот закон исключает создание вечного двигателя второго рода.

30. Принцип действия тепловых двигателей. КПД тепловогодви­гателя.

Обычно в тепловых машинахработа совершается расширяющимся газом. Газ, совершающий работу при расширении,называется рабочим телом. Расширение газа происходит в результате повышения еготемпературы и давления при нагревании. Устройство, от которого рабочее телополучает количество теплотыQ  называется нагревателем.Устройство, которому машина отдает тепло после совершения рабочего хода,называется холодильником. Сначала изохорически растет давление, изобарическирасширяется,  изохорически охлаждается, изобарически сжимается. <рисунок сподъемником>. В результате совершения рабочего цикла газ возвращается вначальное состояние, его внутренняя энергия принимает исходное значение. Этозначит, что />. Согласно первому законутермодинамики, />. Работа,совершаемая телом за цикл, равна Q. Количество теплоты, полученное телом за цикл, равноразности полученного от нагревателя и отданного холодильнику/>. Следовательно, />. Коэффициентом полезногодействия машины называется отношение полезно использованной к затраченной энергии/>.

31. Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенныепары. Влажность воздуха.

Неравномерное распределениекинетической энергии теплового движения приводит к тому. Что при любойтемпературе кинетическая энергия некоторой части молекул может превыситьпотенциальную энергию связи с остальными. Испарением называется процесс, прикотором с поверхности жидкости или твердого тела вылетают молекулы. Испарениесопровождается охлаждением, т.к. более быстрые молекулы покидают жидкость. Испарениежидкости в закрытом сосуда при неизменной температуре приводит к увеличениюконцентрации молекул в газообразном состоянии. Через некоторое время наступаетравновесие между количеством испаряющихся молекул и возвращающихся в жидкость.Газообразное вещество, находящееся в динамическом равновесии со своейжидкостью, называется насыщенным паром. Пар, находящийся при давлении нижедавления насыщенного пара, называется ненасыщенным. Давление насыщенного паране зависит при постоянной температуре от объема (из />). При постоянной концентрации молекул давление насыщенного пара растет быстрее,чем давление идеального газа, т.к. под действием температуры количество молекулувеличивается. Отношение давления водяного пара при данной температуре кдавлению насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах,называется относительной влажностью воздуха />.Чем ниже температура, тем меньше давление насыщенного пара, таким образом приохлаждении до некоторой температуры пар становится насыщенным. Эта температураназывается точкой росы tp.

 

32. Кристаллические и аморфные тела. Механическиесвойства твердых тел. Упругие деформации.

Аморфными называются тела,физические свойства которых одинаковы по всем направлениям (изотропные тела). Изотропность физических свойств объясняется хаотичностью расположения молекул.Твердые тела, в которых молекулы упорядочены, называются кристаллами.Физические свойства кристаллических тел неодинаковы  в различных направлениях(анизотропные тела). Анизотропия свойств кристаллов объясняется тем, что приупорядоченной структуре силы взаимодействия неодинаковы по различнымнаправлениям. Внешнее механическое воздействие на тело вызывает смещение атомовиз положения равновесия, что приводит к изменению формы и объема тела –деформации. Деформацию можно охарактеризовать абсолютным удлинением, равнымразности длин до и после деформации/>, илиотносительным удлинением />. При деформации тела возникают силы упругости. Физическая величина, равная отношениюмодуля силы упругости к площади сечения тела называется механическимнапряжением />. При малых деформацияхнапряжение прямо пропорционально относительному удлинению />. Коэффициентпропорциональности Е в уравнении называется модулем упругости (модулемЮнга). Модуль упругости является постоянной для данного материала />, откуда />. Потенциальная энергиядеформированного тела равна работе, затраченной на растяжение или сжатие.Отсюда />.

Закон Гука выполняется толькопри небольших деформациях. Максимальное напряжение, при котором он ещевыполняется, называется пределом пропорциональности. За этим пределомнапряжение перестает расти пропорционально. До некоторого уровня напряжениедеформированное тело восстановит свои размеры после снятия нагрузки. Эта точканазывается пределом упругости тела. При превышении предела упругости начинаетсяпластическая деформация, при которой тело не восстанавливает свою прежнююформу. В области пластической деформации напряжение почти не увеличивается. Этоявление называется текучестью материала. За пределом текучести напряжениеповышается до точки, называемой пределом прочности, после которой напряжениеуменьшается вплоть до разрушения тела.

33. Свойства жидкостей. Поверхностное натяжение.Капиллярные явления.

Возможность свободногоперемещения молекул в жидкости обуславливает текучесть жидкости. Тело в жидкомсостоянии не имеет постоянной формы. Форма жидкости определяется формой сосудаи силами поверхностного натяжения. Внутри  жидкости силы притяжения молекулкомпенсируются, а у поверхности – нет. Любая молекула, находящаяся уповерхности, притягивается молекулами внутри жидкости. Под действием этих силмолекулы в поверхность втягиваются внутрь до тех пор, пока свободнаяповерхность не станет минимальной из всех возможных. Т.к. минимальнуюповерхность при данном объеме имеет шар, то при малом действии других сил поверхностьпринимает форму сферического сегмента. Поверхность жидкости у края сосуданазывается мениском. Явление смачивания характеризуется краевым углом междуповерхностью и мениском в точке пересечения. Величина силы поверхностногонатяжения на участке длиной Dl равна />.Искривление поверхности создает избыточное давление на жидкость, равное приизвестном краевом угле и радиусе />.Коэффициент s называется коэффициентом поверхностного натяжения.Капилляром называется трубка с малым внутренним диаметром. При полномсмачивании сила поверхностного натяжение направлена вдоль поверхности тела. Вэтом случае подъем жидкости по капилляру продолжается под действием этой силыдо тех пор, пока сила тяжести не уравновесит силу поверхностного натяжения />, т.к. />, то />.

 

 

 

34.Электрический заряд. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Законсохранения электрического заряда.

Нимеханика, ни МКТ не в состоянии объяснить природу сил, связывающих атомы.Законы взаимодействия атомов и молекул можно объяснить на основе представленияоб электрических зарядах. <Опыт с натиранием ручки и притяжением бумажки>Взаимодействие тел, обнаруживаемое в этом опыте называется электромагнитным, иобуславливается электрическими зарядами. Способность зарядов притягиваться иотталкиваться объясняется предположением о существовании двух видов зарядов –положительному и отрицательному. Тела, заряженные одинаковым зарядом,отталкиваются, разным – притягиваются. Единицей заряда является кулон – заряд,проходящий через поперечное сечение проводника за 1 секунду при силе тока в 1ампер. В замкнутой системе, в которую не входят извне электрические заряды и изкоторого не выходят электрические заряды при любых взаимодействияхалгебраическая сумма зарядов всех тел постоянна. Основной закон электростатики,он же закон Кулона, гласит, что модуль силы взаимодействия между двумя зарядамипрямо пропорционален произведению модулей зарядов и обратно пропорционаленквадрату расстояния между ними />. Силанаправлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Является силойотталкивания или притяжение, в зависимости от знака зарядов.  Постоянная kв выражении закона Кулона равна />. Вместоэтого коэффициента используют т.н. электрическую постоянную, связанную скоэффициентом k выражением />, откуда />. Взаимодействие неподвижныхэлектрических зарядов называется электростатическим.

35. Электрическое поле. Напряженность электрическогополя. Принцип суперпозиции электрических полей.

Вокруг каждого заряда наосновании теории близкодействия существует электрическое поле. Электрическоеполе – материальный объект, постоянно существует в пространстве и  способнодействовать на другие заряды. Электрическое поле распространяется впространстве со скоростью света. Физическая величина, равная отношению силы, скоторой электрическое поле действует на пробный заряд (точечный положительныймалый заряд, не влияющий на конфигурацию поля), к значению этого заряда,называется напряженностью электрического поля/>.Используя закон Кулона возможно получить формулу для напряженности поля,создаваемого зарядом q на расстоянии rот заряда />.Напряженность поля не зависит от заряда, на который оно действует. Если назаряд q действуют одновременно электрические поля несколькихзарядов, то результирующая сила оказывается равной геометрической сумме сил,действующих со стороны каждого поля в отдельности. Это называется принципомсуперпозиции электрических полей />. Линиейнапряженности электрического поля называется линия, касательная к которой вкаждой точке совпадает с вектором напряженности. Линии напряженности начинаютсяна положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных, или же уходят вбесконечность. Электрическое поле, напряженность которого одинакова по всем влюбой точке пространства, называется однородным электрическим полем. Приблизительнооднородным можно считать поле между двумя параллельными разноименно заряженнымиметаллическими пластинками. При равномерном распределении заряда qпо поверхности площади S поверхностная плотность заряда равна />. Для бесконечной плоскостис поверхностной плотностью заряда s напряженность поляодинакова во всех точках пространства и равная />.

36. Работа электростатического поля при перемещениизаряда. Разность потенциалов.

При перемещении заряда электрическимполем на расстояние /> совершеннаяработа равна />. Как и в случае сработой силы тяжести, работа кулоновской силы не зависит от траекторииперемещения заряда. При изменении направления вектора перемещения на 1800работа сил поля меняет знак на противоположный. Таким образом, работа силэлектростатического поля при перемещении заряда по замкнутому контуру равнанулю. Поле, работа сил которого по замкнутой траектории равна нулю, называетсяпотенциальным полем.

Точно так же, как тело массойm в поле силы тяжести обладает потенциально энергией,пропорциональной массе тела, электрический заряд в электростатическом полеобладает потенциальной энергией Wp,пропорциональной заряду. Работа сил электростатического поля равна изменениюпотенциальной энергии заряда, взятому с противоположным знаком. В одной точкеэлектростатического поля разные заряды могут обладать различной потенциальнойэнергией. Но отношение потенциальной энергии к заряду для данной точки есть величинапостоянная. Эта физическая величина называется потенциалом электрического поля />, откуда потенциальнаяэнергия заряда равна произведению потенциала в данной точке на заряд. Потенциал– скалярная величина, потенциал нескольких полей равен сумме потенциалов этихполей. Мерой изменения энергии при взаимодействии тел является работа. Приперемещении заряда работа сил электростатического поля равна изменению энергиис противоположным знаком, поэтому />. Т.к.работа зависит от разности потенциалов и не зависит от траектории между ними,то разность потенциалов можно считать энергетической характеристикойэлектростатического поля. Если потенциал на бесконечном расстоянии от зарядапринять равным нулю, то на расстоянии r от зарядаон определяется по формуле />.

37. Напряжение. Электроемкость. Конденсаторы.

Отношение работы, совершаемойлюбым электрическим полем при перемещении положительного заряда из одной точкиполя в другую, к значению заряда называется напряжением между этими точкам />, откуда работа />. В электростатическом поленапряжение между двумя любыми точками равно разности потенциалов между этимиточками />. Единица напряжения (иразности потенциалов) называется вольтом, />.1 вольт равен такому напряжению, при котором поле совершает работу в 1 джоульпо перемещению заряда в 1 кулон. С одной стороны, работа по перемещению зарядаравна произведению силы на перемещение. С другой стороны, она может бытьнайдена по известному напряжению между участками пути. Отсюда/>. Единицей напряженностиэлектрического поля является вольт на метр (в/м).

Конденсатор – система из двухпроводников, разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнениюс размерами проводников. Между пластинами напряженность поля равна удвоеннойнапряженности каждой из пластин, вне пластин она равна нулю. Физическаявеличина, равная отношению заряда одной из пластин к напряжению междуобкладками называется электроемкостью конденсатора />.Единица электроемкости – фарад, емкостью 1 фарад обладает конденсатор, междуобкладками которого напряжение равно 1 вольту при сообщении обкладкам заряда по1 кулону. Напряженность поля между пластинами твердого конденсатора равна сумменапряженность ей пластин. />, а т.к.для однородного поля выполняется />, то />, т.е. электроемкость прямопропорциональна площади обкладок и обратно пропорциональна расстоянию междуними. При введении между пластинами диэлектрика, его электроемкость повышаетсяв e раз, где e – диэлектрическаяпроницаемость вводимого материала.

38. Диэлектрическая проницае­мость. Энергияэлектрического поля.

Диэлектрическая проницаемостьэто физическая величина, характеризующая отношение модуля напряженностиэлектрического поля в вакууме к модулю электрического поля в однородномдиэлектрике. Работа электрического поля равна/>, но при зарядке конденсатора его напряжение вырастает от до U,поэтому/>. Следовательно, ипотенциальная энергия конденсатора равна />.

39. Электрический ток. Силатока. Условия существования элек­трического тока.

Электрическимтоком называется упорядоченное движение электрических зарядов. За направлениетока принято движение положительных зарядов. Электрические заряды могутупорядоченно двигаться под действием электрического поля. Поэтому достаточнымусловием существования тока является наличие поля и свободных носителей заряда.Электрическое поле может быть создано двумя соединенными разноименнозаряженными телами. Отношение заряда Dq, переносимого через поперечное сечение проводника заинтервал времени Dtк этому интервалу называется силой тока />.Если сила тока со временем не изменяется, то ток называется постоянным. Чтобыток существовал проводнике в течение длительного времени, необходимо, чтобыусловия, вызывающие ток, были неизменными. <схема с один резистором ибатареей>. Силы, вызывающие перемещение заряда внутри источника тока,называются сторонним силами. В гальваническом элементе (а любая батарейка –г.э.???) ими являются силы химической реакции, в машине постоянного тока –сила Лоренца.

40. Закон Ома для участка цепи.Сопротивление про­водников. Зависимость сопротивления проводников от температу­ры.Сверхпроводимость. Последовательное и параллельное соеди­нение проводников.

Отношениенапряжения между концами участка электрической цепи к силе тока есть величинапостоянная, и называется сопротивлением />.Единица сопротивления 0 ом, сопротивлением в 1 ом обладает такой участок цепи,в котором при силе тока 1 ампер напряжение равно 1 вольту. Сопротивление прямопропорционально длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения />, где r – удельное электрическое сопротивление, величина постоянная дляданного вещества при данных условиях. При нагревании удельное сопротивлениеметаллов увеличивается по линейному закону />,где r0– удельное сопротивление при 0 0С, a – температурный коэффициент сопротивления, особый для каждого металла.При близких к абсолютному нулю температурах сопротивление веществ резко падаетдо нуля. Это явление называется сверхпроводимостью. Прохождение тока всверхпроводящих материалах происходит без потерь на нагревание проводника.

ЗакономОма для участка цепи называют уравнение />.При  последовательном соединении проводников сила тока одинакова во всехпроводниках, а напряжение на концах цепи равно сумме напряжений на всехпоследовательно включенных проводниках. />.При последовательном соединении проводников общее сопротивление равно суммесопротивлений составляющих. При  параллельном соединении напряжение на концахкаждого участка цепи одинаково, а сила тока разветвляется на отдельные части.Отсюда />. При параллельномподключении проводников величина, обратная общему сопротивлению равна суммевеличин, обратных сопротивлениям всех параллельно включенных проводников.

41. Работа и мощность тока.Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.

Работусил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока.Работа А тока на участке с сопротивлением R за время Dt равна />. Мощность электрическоготока равна отношению работы ко времени совершения, т.е. />. Работа выражается, какобычно, в джоулях, мощность – в ваттах. Если на участке цепи под действиемэлектрического поля не совершается работа и не происходят химические реакции,то работа приводит к нагреванию проводника. При этом работа равна количествутеплоты, выделяемому проводником с током /> (ЗаконДжоуля-Ленца).

Вэлектрической цепи работа совершается не только на внешнем участке, но и вбатарее. Электрическое сопротивление источника тока называется внутреннимсопротивлением r. На внутреннем участке цепи выделяется количествотеплоты, равное />. Полная работасил электростатического поля при движении по замкнутому контуру равна нулю,поэтому вся работа оказывается совершенной за счет внешних сил, поддерживающихпостоянное напряжение. Отношение работы внешних сил к переносимому зарядуназывается электродвижущей силой источника />,где Dq– переносимый заряд. Если в результате прохождения постоянного тока произошлотолько нагревание проводников, то по закону сохранения энергии />, т.е. />. Ила тока в электрическойцепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлениюцепи.

42. Полупроводники. Электропроводимость полупроводников иее зависимость от температуры. Собственная и примесная проводи­мостьполупроводников.

Многие вещества не проводятток так хорошо, как металлы, но в то же время не являются диэлектриками. Однимиз отличий полупроводников – то, что при нагревании или освещении их удельноесопротивление не увеличивается, а уменьшается. Но главным их практическиприменимым свойством оказалась односторонняя проводимость. Вследствиенеравномерного распределения энергии теплового движения в кристаллеполупроводника некоторые атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могутбыть захвачены окружающими атомами, т.к. их валентные связи насыщены. Этисвободные электроны могут перемещаться в металле, создавая электронный токпроводимости. В то же время, атом, с оболочки которого вырвался электрон,становится ионом. Этот ион нейтрализуется за счет захвата атома соседа. Врезультате такого хаотического перемещения возникает перемещение места снедостающим ионом, что внешне видно как перемещение положительного заряда. Этоназывается дырочным током проводимости. В идеальном полупроводниковом кристаллеток создается перемещением равного количества свободных электронов и дырок.Такой тип проводимости называется собственной проводимостью. При понижениитемпературы количество свободных электронов, пропорциональное средней энергииатомов, падает и полупроводник становится похож на диэлектрик. В полупроводникдля улучшения проводимости иногда добавляются примеси, которые бывают донорные(увеличивают число электронов без увеличения числа дырок) и акцепторные(увеличивают число дырок без увеличения числа электронов). Полупроводники, гдеколичество электронов превышает количество дырок, называются электроннымиполупроводниками, или полупроводниками n-типа.Полупроводники, где количество дырок превышает количество электронов,называются дырочными полупроводниками, или полупроводниками р-типа.

43. Полупроводниковый диод.Транзистор.

Полупроводниковый диодсостоит из p-n перехода, т.е. из двух соединенных полупроводниковразного типа проводимости. При соединении происходит диффузия электронов в р-полупроводник.Это приводит к появлению в электронном полупроводнике нескомпенсированныхположительных ионов донорной примеси, а в дырочном – отрицательных ионовакцепторной примеси, захвативших продиффундировавшие электроны. Между двумяслоями возникает электрическое поле. Если на область с электроннойпроводимостью подать положительный заряд, а на область с дырочной –отрицательный, то запирающее поле усилится, сила тока резко понизится и почтине зависит от напряжения. Такой способ включения называется запирающим, а ток,текущий в диоде – обратным. Если на область с дырочной проводимостью податьположительный заряд, а на область с электронной – отрицательный, то запирающееполе ослабится, сила тока через диод в этом случае зависит только отсопротивления внешней цепи. Такой способ включения называется пропускным, аток, текущий в диоде – прямым.

Транзистором, он жеполупроводниковый триод, состоит из двух p-n(или n-p) переходов. Средняя часть кристалла называется база,крайние – эмиттер и коллектор. Транзисторы, в которых база обладает дырочнойпроводимостью, называют транзисторами p-n-pперехода. Для приведения в действие транзистора p-n-p-типана коллектор полают напряжение отрицательной полярности относительно эмиттера.Напряжение на базе при этом может быть как положительным, так и отрицательным.Т.к. дырок больше, то основной ток через переход будет составлять диффузионныйпоток дырок из р-области. Если на эмиттер подать небольшое прямоенапряжение, то через него потечет дырочный ток, диффундирующих из р-областивn-область (базу). Но т.к. база узкая, то дыркипролетают через нее, ускоряясь полем, в коллектор. (???, что-то тут янедопонял…). Транзистор способен распределять ток, тем самым его усиливая.Отношение изменения тока в цепи коллектора к изменению тока в цепи базы припрочих равных условиях величина постоянная, называемая интегральнымкоэффициентом передачи базового тока />.Следовательно, изменяя ток в цепи базы, возможно получить изменения в токе цепиколлектора. (???)

44. Электрический ток в газах. Виды газовых разрядов иих приме­нение. Понятие о плазме.

Газ под воздействием светаили тепла может становиться проводником тока. Явление прохождения тока черезгаз при условии внешнего воздействия, называется несамостоятельнымэлектрическим разрядом. Процесс возникновения ионов газа под воздействиемтемпературы называется термической ионизацией. Возникновение ионов подвоздействием светового излучения – фотоионизация. Газ, в котором значительнаячасть молекул ионизирована, называется плазмой. Температура плазмы достигаетнескольких тысяч градусов. Электроны и ионы плазмы способны перемещаться подвоздействием электрического поля. При увеличении напряженности поля взависимости от давления и природы газа в нем возникает разряд без воздействиявнешних ионизаторов. Это явление называется самостоятельным электрическимразрядом. Чтобы электрон при ударе об атом ионизовал его, необходимо, чтобы онобладал энергией не меньшей работы ионизации />.Эту энергию электрон может приобрести под воздействием сил внешнегоэлектрического поля в газе на пути свободного пробега, т.е. />. Т.к. длина свободногопробега мала, самостоятельный разряд возможен только при высокой напряженностиполя. При низком давлении газа образуется тлеющий разряд, что объясняетсяповышением проводимости газа при разрежении (увеличивается путь свободногопробега). Если сила тока в самостоятельном разряде очень велика, то ударыэлектронов могут вызвать нагревание катода и анода. С поверхности катода привысокой температуре происходит эмиссия электронов, поддерживающая разряд вгазе. Этот вид разряда называется дуговым.

45. Электрический ток в вакууме. Термоэлектроннаяэмиссия. Электронно-лучевая трубка.

В вакууме нет носителей свободногозаряда, поэтому без внешнего влияния ток в вакууме отсутствует. Возникнуть онможет в случае, если один из электродов нагреть до высокой температуры.Нагретый катод испускает со своей поверхности электроны. Явление испусканиясвободных электронов с поверхности нагретых тел называется термоэлектроннойэмиссией. Простейшим прибором, использующим термоэлектронную эмиссию, являетсяэлектровакуумный диод. Анод состоит из металлической пластины, катод – изтонкой свернутой спиралью проволоки. Вокруг катода при его нагревании создаетсяэлектронное облако. Если подключить катод к положительному выводу батареи, аанод – к отрицательному, то поле внутри диода будет смещать электроны к катоду,и тока не будет. Если же подключить наоборот – анод к плюсу, а катод к минусу –то электрическое поле будет перемещать электроны по направлению к аноду. Этимобъясняется свойство односторонней проводимости диода. Потоком движущихся откатода к аноду электронов можно управлять с помощью электромагнитного поля. Дляэтого диод модифицируется, и между анодом и катодом добавляется сетка.Получившийся прибор называется триодом. Если на сетку подать отрицательныйпотенциал, то поле между сеткой и катодом будет препятствовать движениюэлектрона. Если подать положительный – то поле будет препятствовать движениюэлектронов. Испускаемые катодом электроны можно с помощью электрических полейразогнать до высоких скоростей. Способность электронных пучков отклоняться поддействием электромагнитных полей используется в ЭЛТ.

46.  Магнитное взаимодействие токов. Магнитное поле.Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Индукция магнитногополя.

Если через проводникипропускают ток одного направления, то они притягиваются, а если равного – тоотталкиваются. Следовательно, между проводниками есть некое взаимодействие,которое нельзя объяснить наличием электрического поля, т.к. в целом проводникиэлектронейтральны. Магнитное поле создается движущимися электрическими зарядамии действует только на движущиеся заряды. Магнитное поле является особым видомматерии и непрерывно в пространстве. Прохождение электрического ток попроводнику сопровождается порождением магнитного поля независимо от среды.Магнитное взаимодействие проводников используется для определения величины силытока. 1 ампер – сила тока, проходящего по двум параллельным проводникам ¥ длины, и малого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1метра друг от друга, при которой магнитный поток вызывает в низ силувзаимодействия, равную /> на каждый метрдлины. Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током,называется силой Ампера. Для характеристики способности магнитного поляоказывать воздействие на проводник с током существует величина, называемаямагнитной индукцией. Модуль магнитной индукции равен отношению максимальногозначению силы Ампер, действующей на проводник с током, к силе тока в проводникеи его длине />. Направление вектораиндукции определяется по правилу левой руки (по руке проводник, по большомупальцу сила, в ладонь – индукция). Единице магнитной индукции является тесла,равная индукции такого магнитного потока, в котором на 1 метр проводника присиле тока в 1 ампер действует максимальная сила Ампера 1 ньютон. Линия, в любойточке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной, называетсялинией магнитной индукции. Если во всех точках некоторого пространства векториндукции имеет одинаковое значение по модулю и одинаковое направление, то полев этой части называется однородным. В зависимости от угла наклона проводника стоком относительно вектора магнитной индукции сил Ампера изменяетсяпропорционально синусу угла />.

47. Закон Ампера. Действие магнитного поля надвижущийся заряд. Сила Лоренца.

 Действие магнитного поляна ток в проводнике говорит о том, что оно действует на движущиеся заряды. Силатока I в проводнике связана сконцентрацией n свободных заряженныхчастиц, скоростью v их упорядоченногодвижения и площадью S поперечногосечения проводника выражением />, где q – заряд одной частицы. Подставив это выражение вформулу силы Ампера, получим />. Т.к. nSl равно числу свободных частиц в проводнике длиной l, то сила, действующая со стороны поля на однузаряженную частицу, движущуюся со скоростью v под углом a к вектору магнитной индукции B равна />. Этусилу называют силой Лоренца. Направление силы Лоренца для положительного зарядаопределяется по правилу левой руки. В однородном магнитном поле частица,движущаяся перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, под действием силыЛоренца приобретает центростремительное ускорение />идвижется по окружности. Радиус окружности и период обращения определяютсявыражениями />. Независимостьпериода обращения от радиуса и скорости используется в ускорителе заряженныхчастиц – циклотроне.

48. Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики.

Электромагнитноевзаимодействие зависит от среды, в которой находятся заряды. Если около большойкатушки подвесить маленькую, то она отклонится. Если в большую вставитьжелезный сердечник, то отклонение увеличится. Это изменение показывает, чтоиндукция изменяется при внесении сердечника. Вещества, значительно усиливающиевнешнее магнитное поле, называются ферромагнетиками. Физическая величина,показывающая, во сколько раз индуктивность магнитного поля в среде отличаетсяот индуктивности поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью />. Не все вещества усиливаютмагнитное поле. Парамагнетики создают слабое поле, совпадающее по направлению свнешним. Диамагнетики ослабляю своим полем внешнее поле.  Ферромагнетизмобъясняется магнитными свойствами электрона. Электрон является движущимсязарядом, и поэтому обладает собственным магнитным полем. В некоторых кристаллахсуществуют условия зля параллельной ориентации магнитных полей электронов. Врезультате этого внутри кристалла ферромагнетика возникают намагниченныеобласти, называемы доменами. С увеличением внешнего магнитного поля доменыупорядочивают свою ориентацию. При некотором значении индукции наступает полноеупорядочение ориентации доменов и наступает магнитное насыщение. При выводеферромагнетика из внешнего магнитного поля не все домены теряют свою ориентацию,и тело становится постоянным магнитом. Упорядоченность ориентации доменов можетбыть нарушена тепловыми колебаниями атомов. Температура, при котором веществоперестает быть ферромагнетиком, называется температурой Кюри.

49. Электромагнитная индукция. Магнитный поток. Законэлектромагнитной индук­ции. Правило Ленца.

В замкнутом контуре приизменении магнитного поля возникает электрический ток. Этот ток называетсяиндукционным током. Явление возникновения тока в замкнутом контуре приизменениях магнитного поля, пронизывающего контур, называется электромагнитнойиндукцией. Появление тока в замкнутом контуре свидетельствует о наличиисторонних сил неэлектростатической природы или о возникновении ЭДС индукции.Количественное описание явления электромагнитной индукции дается на основеустановления связи ЭДС индукции и магнитным потоком. Магнитным потоком Ф через поверхность называется физическая величина,равная произведению площади поверхности S намодуль вектора магнитной индукции B и накосинус угла a между ним и нормалью к поверхности />. Единица магнитного потока– вебер, равный потоку, который при равномерном убывании до нуля за 1 секундувызывает ЭДС в 1 вольт.  Направление индукционного тока зависит от того,возрастает или убывает поток, пронизывающий контур, а также от направления поляотносительно контура. Общая формулировка правила Ленца: возникающий в замкнутомконтуре индукционный ток имеет такое направление, что созданный им магнитныйпоток через площадь, ограниченную контуром, стремится скомпенсировать изменениемагнитного потока, которым данный ток вызывается. Закон электромагнитнойиндукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре прямо пропорциональна скоростиизменения магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром иравна скорости изменения этого потока/>, а сучетом правила Ленца/>. При измененииЭДС в катушке, состоящей из n одинаковыхвитков, общая ЭДС в n раз больше ЭДС водном отдельно взятом витке />. Дляоднородного магнитного поля на основании определения магнитного потока следует,что индукция равна 1 тесла, если  поток через контур в 1 квадратный метр равен1 веберу. Возникновение электрического тока в неподвижном проводнике необъясняется магнитным взаимодействием, т.к. магнитное поле действует только надвижущиеся заряды. Электрическое поле, возникающее при изменении магнитногополя, называется вихревым электрическим полем. Работа сил вихревого поля поперемещению зарядов и является ЭДС индукции. Вихревое поле не связано сзарядами и представляет собой замкнутые линии. Работа сил этого поля позамкнутому контуру может быть отлична от нуля. Явление электромагнитнойиндукции также возникает при покоящемся источнике магнитного потока и движущемсяпроводнике. В этом случае причиной возникновения ЭДС индукции, равной />, является сила Лоренца.

50. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энер­гиямагнитного поля.

Электрический ток, проходящийпо проводнику, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток Фчерез контур пропорционален вектору магнитной индукции В, а индукция, всвою очередь, силе тока в проводнике. Следовательно, для магнитного потокаможно записать />. Коэффициентпропорциональности называется индуктивностью и зависит от свойств проводника,его размеров и среды, в которой он находится. Единица индуктивности – генри,индуктивность равна 1 генри, если при силе тока в  1 ампер магнитный потокравен 1 веберу. При изменении силы тока в катушке происходит изменениемагнитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного потокавызывает возникновение в катушке ЭДС индукции. Явление возникновения ЭДСиндукции в катушке в результате изменения силы тока в этой цепи называетсясамоиндукцией. В соответствии с правилом Ленца ЭДС самоиндукции препятствуетнарастанию при включении и убыванию при выключении цепи. ЭДС самоиндукции,возникающая в катушке с индуктивностью L, по закону электромагнитнойиндукции равна/>. Пусть приотключении сети от источника, ток убывает по линейному закону. Тогда ЭДСсамоиндукции имеет постоянное значение, равное />.За время t при линейном убывании в цепи пройдет заряд />. При этом работаэлектрического тока равна />. Этаработа совершается за свет энергии Wм магнитного полякатушки.

51. Гармоническиеколебания. Амплитуда, период, частота и фаза колебаний.

Механическими колебанияминазывают движения тел, повторяющиеся точно или приблизительно одинаково черезодинаковые промежутки времени. Силы, действующие между телами внутрирассматриваемой системы тел, называют внутренними силами. Силы, действующие натела системы со стороны других тел, называют внешними силами. Свободными колебанияминазывают колебания, возникшие под воздействием внутренних сил, например –маятник на нитке. Колебания под действиями внешних сил – вынужденные колебания,например – поршень в двигателе. Общим признаков всех видов колебаний являетсяповторяемость процесса движения через определенный интервал времени.Гармоническими называются колебания, описываемые уравнением />. В частности колебания,возникающие в системе с одной возвращающей силой, пропорциональной деформации,являются гармоническими. Минимальный интервал, через который происходитповторение движения тела, называется периодом колебаний Т. Физическаявеличина, обратная периоду колебаний и характеризующая количество колебаний вединицу времени, называется частотой />. Частотаизмеряется в герцах, 1 Гц = 1 с-1. Используется также понятиециклической частоты, определяющей число колебаний за 2p секунд />. Модульмаксимального смещения от положения равновесия называется амплитудой. Величина,стоящая под знаком косинуса – фаза колебаний, j0– начальная фаза колебаний. Производные такжегармонически изменяются, причем />, аполная механическая энергия при произвольном отклонении х (угол,координата, и т.д.) равна />, где Аи В – константы, определяемые параметрами системы. Продифференцировавэто выражение и приняв во внимание отсутствие внешних сил, возможно записать,что />, откуда />.

52. Математический маятник. Колебания груза на пружине.Период колебаний математического маятника и груза на пружине.

Тело небольших размеров,подвешенное на нерастяжимой нити, масса которой пренебрежимо мала по сравнениюс массой тела, называется математическим маятником. Вертикальное положениемявляется положением равновесия, при котором сила тяжести уравновешивается силойупругости. При малых отклонениях маятника от положения равновесия возникаетравнодействующая сила, направленная к положению равновесия, и его колебанияявляются гармоническими. Период гармонических колебаний математическогомаятника при небольшом угле размаха равен />.Чтобы вывести эту формулу запишем второй закон Ньютона для маятника />. На маятник действуют силатяжести и сила натяжения нити. Их равнодействующая при малом угле отклоненияравна />. Следовательно, />, откуда />.

При гармонических колебанияхтела, подвешенного на пружине, сила упругости равна по закону Гука />.  По второму закону Ньютона/> />.

53. Превращение энергии при гармонических колебаниях.Вынуж­денные колебания. Резонанс.

При отклоненииматематического маятника от положения равновесия его потенциальная энергияувеличивается, т.к. увеличивается расстояние до Земли. При движении к положениюравновесия скорость маятника возрастает, и увеличивается кинетическая энергия,за счет уменьшения запаса потенциальной. В положении равновесия кинетическаяэнергия – максимальная, потенциальная – минимальна. В положении максимальногоотклонения – наоборот. С пружинным – то же самое, но берется не потенциальнаяэнергия в поле тяготения Земли, а потенциальная энергия пружины. Свободныеколебания всегда оказываются затухающими, т.е. с убывающей амплитудой, т.к.энергия тратится на взаимодействие с окружающими телами. Потери энергии приэтом равны работе внешних сил за это же время. Амплитуда зависит от частотыизменения силы. Максимальной амплитуды она достигает при частоте колебанийвнешней силы, совпадающей с собственной частотой колебаний системы. Явлениевозрастания амплитуды вынужденных колебаний при описанных условиях называетсярезонансом. Так как при резонансе внешняя сила совершает за период максимальнуюположительную работу, то условие резонанса можно определить как условиемаксимальной передачи энергии системе.

54. Распространение колебаний в упругих средах.Поперечные и продольные волны. Длина волны. Связь длины волны со скоростью ее распространения.Звуковые волны. Скорость звука. Ультразвук

Возбуждение колебаний в одномместе среды вызывает вынужденные колебания соседних частиц. Процессраспространении колебаний в пространстве называется волной. Волны, в которыхколебания происходят перпендикулярно направлению распространения, называютсяпоперечными волнами. Волны, в которых колебания происходят вдоль направленияраспространения волны, называются продольными волнами. Продольные волны могутвозникать во всех средах, поперечные – в твердых телах под действием силупругости при деформации или сил поверхностного натяжения и сил тяжести.Скорость распространения колебаний v в пространстве называется скоростью волны.Расстояние l между ближайшими друг к другу точками, колеблющимисяв одинаковых фазах, называется длиной волны. Зависимость длины волны отскорости и периода выражается как />, или же />. При возникновении волн их частотаопределяется частотой колебаний источника, а скорость – средой, где онираспространяются, поэтому волны одной частоты могут иметь в разных средахразличную длину. Процессы сжатия и разрежения в воздуха распространяются во всестороны и называются звуковыми волнами.  Звуковые волны являются продольными.Скорость звука зависит, как и скорость любых волн, от среды. В воздухе скоростьзвука 331 м/с, в воде – 1500 м/с, в стали – 6000 м/с. Звуковое давление –дополнительно давление в газе или жидкости, вызываемое звуковой волной.Интенсивность звука измеряется энергией, переносимой звуковыми волнами заединицу времени через единицу площади сечения, перпендикулярного направлениюраспространения волн, и измеряется в ваттах на квадратный метр. Интенсивностьзвука определяет его громкость. Высота звука определяется частотой колебаний. Ультразвукоми инфразвуком называют звуковые колебания, лежащие вне пределов слышимости счастотами 20 килогерц и 20 герц соответственно.

55.Свободные электромагнитные колебания в контуре.Превраще­ние энергии в колебательном контуре. Собственная частота коле­баний вконтуре.

Электрическим колебательнымконтуром называется  система, состоящая из конденсатора и катушки, соединенныхв замкнутую цепь. При подключении катушки к конденсатору в катушке возникаетток и энергия электрического поля превращается в энергию магнитного поля.Конденсатор разряжается не мгновенно, т.к. этому препятствует ЭДС самоиндукциив катушке. Когда же конденсатор разрядится полностью, ЭДС самоиндукции будетпрепятствовать убыванию тока, и энергия магнитного поля будет переходить в энергиюэлектрического. Ток, возникающий при этом, зарядит конденсатор, причем знакзаряда на обкладках будет противоположным первоначальному. После чего процессповторяется до тех пор, пока вся энергия не будет затрачена на нагреваниеэлементов цепи. Таким образом, энергия магнитного поля в колебательном контурепереходит в энергию электрического и обратно. Для полной энергии системывозможно записать соотношения: />, откудадля произвольного момента времени />. Какизвестно, для полной цепи /> />.Полагая, что в идеальном случае R», окончательно получим />,или же />. Решением этогодифференциального уравнения является функция />,где />. Величину w называют собственной круговой (циклической) частотой колебаний вконтуре.

56. Вынужденные электрические колебания. Переменныйэлектри­ческий ток. Генератор переменного тока. Мощность переменного тока.

Переменный ток вэлектрических цепях является результатом возбуждения в них вынужденныхэлектромагнитных колебаний. Пусть плоский виток имеет площадь Sи вектор индукции B составляет с перпендикуляром к плоскости витка угол j. Магнитный поток Ф через площадь витка вданном случае определяется выражением />.При вращении витка с частотой n угол j меняется по закону />.,тогда выражение для потока примет вид/>.Изменения магнитного потока создают ЭДС индукции, равную минус скоростиизменения потока />. Следовательно, изменение ЭДС индукции будетпроходить по гармоническому закону />.Напряжение, снимаемое с выхода генератора, пропорционально количеству витковобмотки. При изменении напряжения по гармоническому закону /> напряженность поля в проводнике изменяется по такомуже закону. Под действием поля возникает то, частота и фаза которого совпадают счастотой и фазой колебаний напряжения />.Колебания силы тока в цепи являются вынужденными, возникающими под воздействиемприложенного переменного напряжения. При совпадении фаз тока и напряжениямощность переменного тока равна />или/>. Среднее значение квадрата косинуса за период равно0.5, поэтому />. Действующим значением силы тока называется силапостоянного тока, выделяющая в проводнике такое же количество теплоты, что ипеременный ток. При амплитуде I­­­­­­­­­­­­­­maxгармонических колебаний силы тока действующее напряжение равно />. Действующее значениенапряжения также в /> раз меньше егоамплитудного значения Средняя мощность тока при совпадении фаз колебанийопределяется через действующее напряжение и силу тока/>.

57. Активное, индуктивное и емкостное сопротивление.

Активным сопротивлением Rназывается физическая величина,  равная отношению мощности к квадрату силы тока/>, что получается извыражения для мощности />. При небольшихчастотах практически не зависит от частоты и совпадает с электрическимсопротивлением проводника.

Пусть в цепь переменного токавключена катушка. Тогда при изменении силы тока по закону />в катушке возникает ЭДС самоиндукции />. Т.к. электрическое сопротивление катушки равно нулю,то ЭДС равна минус напряжению на концах катушки, созданному внешним генератором(??? Каким еще генератором???) />.Следовательно, изменение силы тока вызывает изменение напряжения, но со сдвигомпо фазе />. Произведение /> являетсяамплитудой колебаний напряжение, т.е. />.Отношение амплитуды колебаний напряжения на катушке к амплитуде колебаний токаназывается индуктивным сопротивлением />.

Пусть в цепи находитсяконденсатор. При его включение он четверть периода заряжается, потом столько жеразряжается, потом то же самое, но со сменой полярности. При изменениинапряжения на конденсаторе по гармоническому закону /> зарядна его обкладках равен />.Ток в цепи возникает при изменении заряда: /> ,аналогично случаю с катушкой амплитуда колебаний силы тока равна />. Величина, равная отношению амплитуды к силе тока,называется емкостным сопротивлением />.

58. Закон Ома для переменного тока.

Рассмотрим цепь, состоящую изпоследовательно подключенных резистора, катушки и конденсатора. В любой моментвремени приложенное напряжение равно сумме напряжений на каждом элементе.Колебания силы тока во всех элементах происходят по закону />. Колебания напряжения на резисторе совпадают по фазус колебаниями силы тока, колебания напряжения на конденсаторе отстают по фазена /> от колебаний тока, колебания напряжения на катушкеопережают по фазе колебания тока на /> (почемуотстают-то???). Поэтому условиеравенства суммы напряжений общему можно записать как/>. Воспользовавшись векторной диаграммой, можно увидеть, что амплитуда напряженийв цепи равна />, или />,т.е. />. Полное сопротивление цепи обозначают />. Из диаграммы очевидно, что напряжение такжеколеблется по гармоническому закону />.Начальную фазу j можно найти по формуле/>. Мгновенная мощность в цепи переменного тока равна/>. Поскольку среднее значение квадрата косинуса запериод равно 0.5, />.Если в цепи присутствует катушка и конденсатор, то по закону Ома дляпеременного тока />. Величина /> называетсякоэффициентом мощности.

59. Резонанс в электрической цепи.

Емкостное и индуктивноесопротивления зависят от частоты приложенного напряжения. Поэтому при постояннойамплитуде напряжения амплитуда силы тока зависит от частоты. При таком значениичастоты, при котором />,сумма напряжений на катушке и конденсаторе становится равной нулю, т.к. ихколебания противоположны по фазе. В результате, напряжение на активномсопротивлении при резонансе оказывается равным полному напряжению, а сила токадостигает максимального значения. Выразим индуктивное и емкостное сопротивленияпри резонансе: />, следовательно /> .Это выражение показывает, что при резонансе амплитуда колебаний напряжения накатушке и конденсаторе могут превосходить амплитуду колебаний приложенногонапряжения.

60. Трансформатор.

Трансформатор представляетсобой две катушки с разным количеством витков. При приложении к одной изкатушек напряжения в ней возникает ток. Если напряжение изменяетсягармоническому закону, то по такому же закону будет изменять и ток. Магнитныйпоток, проходящий через катушку, равен />.При изменении магнитного потока в каждом витке первой катушки возникает ЭДСсамоиндукции />. Произведение />являетсяамплитудой ЭДС в одном витке, всего же ЭДС в первичной катушке/>. Вторичную катушку пронизывает тот же магнитныйпоток, поэтому />. Т.к. магнитные потоки одинаковы, то/>.  Активное сопротивление обмотки мало по сравнению синдуктивным сопротивлением, поэтому напряжение примерно равно ЭДС. Отсюда />. Коэффициент К называется коэффициентомтрансформации. Потери на нагревание проводов и сердечников малы, поэтому Ф1»Ф2.Магнитный поток пропорционален силе тока в обмотке и количеству витков/>. Отсюда />, т.е. />. Т.е. трансформаторувеличивает напряжение в К раз, уменьшая во столько же раз силу тока.Мощность тока в обоих цепях при пренебрежении потерями одинакова.

 

61. Электромагнитныеволны. Скорость их распространения. Свойства электромагнитных волн.

Любое изменение магнитногопотока в контуре вызывает  появление в нем индукционного тока. Его появлениеобъясняется возникновением вихревого электрического поля при  любом изменениимагнитного поля. Вихревое электрическое поде обладает тем же свойством, что иобыкновенное – порождать магнитное поле. Таким образом, однажды начавшийсяпроцесс взаимного порождения магнитного и электрического полей непрерывнопродолжается. Электрическое и магнитные поля, составляющие электромагнитныеволны, могут существовать и в вакууме, в отличие от других волновых процессов.Из опытов с интерференцией была установлена скорость распространенияэлектромагнитных волн, составившая приблизительно />.В общем случае скорость электромагнитной волны в произвольной среде вычисляетсяпо формуле />. Плотность энергииэлектрической и магнитной компоненты равны между собой: />, откуда />. Свойства электромагнитныхволн схожи со свойствами других волновых процессов. При прохождении границыраздела двух сред частично отражаются, частично преломляются. От поверхностидиэлектрика не отражаются, от металлов отражаются практически полностью.Электромагнитные волны обладают свойствами интерференции (опыт Герца),дифракции (алюминиевая пластинка), поляризации (сетка).

62. Принципы радиосвязи.Простейший радиоприемник.

Для осуществления радиосвязинеобходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Чем большеугол между пластинами конденсатора – тем более свободно ЭМ-волныраспространяются в пространстве. В действительности, открытый контур состоит изкатушки и длинного провода – антенны. Один конец антенны заземлен, другой –поднят над поверхностью Земли. Т.к. энергия электромагнитных волнпропорциональна четвертой степени частоты, то при колебаниях переменного токазвуковых частот ЭМ-волны практически не возникают. Поэтому используется принципмодуляции – частотной, амплитудной или фазовой. Простейший генератор модулированныхколебаний представлен на рисунке. Пусть частота колебаний контура изменяется позакону/>. Пусть частотамодулируемых звуковых колебаний также изменяется как />, причем W<<w.Т.к. цепь содержит нелинейный элемент – транзистор – то закон Ома невыполняется, и функция напряжения выглядит как /> (акакого черта именно так???) (G – величина, обратнаясопротивлению). Подставив в это выражение значения напряжений, где />, получим /> />.Т.к. при резонансе частоты, далекие от частоты резонанса, срезаются, то извыражения для i исчезают второе, третье и пятоеслагаемые, т.е. />.

/>Рассмотрим простейшийрадиоприемник. Он состоит из антенны, колебательного контура с конденсаторомпеременной емкости, диода-детектора, резистора и телефона. Частотаколебательного контура подбирается таким образом, чтобы она совпадала счастотой несущей, при этом амплитуда колебаний на конденсаторе становитсямаксимальной. Это позволяет выделить нужную частоту из всех принимаемых. Сконтура модулированные колебания высокой частоты поступают на детектор. Послепрохождения детектора ток каждые полпериода заряжает конденсатор, а следующие полпериода,когда ток не проходит через диод, конденсатор разряжается через резистор. (яправильно понял???).

64. Аналогия междумеханическими и электрическими колебаниями.

Аналогии между механическимии электрическими колебаниями выглядят так:

Координата

/>

Заряд

/>

Скорость

/>

Сила тока

/>

Ускорение

/>

Скорость изменения силы тока

/>

Масса

/>

Индуктивность

/>

Жесткость

/>

Величина, обратная

электроемкости

/>

Сила

/>

Напряжение

/>

Вязкость

/>

Сопротивление

/>

Потенциальная энергия

деформированной пружины

/>

Энергия электрического поля

конденсатора

/>

Кинетическая энергия

/>

Энергия магнитного поля

катушки

/>

Импульс

/>

Поток магнитной индукции

/>

Законы колебательногодвижения едины для всех видов колебаний. Например, для пружинного маятниказакон сохранения энергии записывается как />.Продифференцировав по времени, получим />.Но />, а />, поэтому />. С математической точкизрения это уравнение идентично уравнению колебаний для колебательного контура.Поэтому его решением является />, где />.

65. Шкала электромагнитных излучений. Зависимость свойствэлектромагнитного излучения от частоты. Применение электромагнитных излучений.

Диапазон электромагнитныхвол длиной от 10-6 м до /> мявляется радиоволнами. Применяются для теле- и радиосвязи. Длины от 10-6м до 780 нм – инфракрасные волны. Видимый свет – от 780 нм до 400 нм.Ультрафиолетовое излучение – от 400 до 10 нм. Излучение в диапазоне от 10 нм до10 пм – рентгеновское излучение. Меньшим длинам волны соответствуетгамма-излучение. (Применение???). Чемменьше длина волны (следовательно, выше частота) тем меньше волны поглощаютсясредой.

65. Прямолинейное распространение света. Скоростьсвета. Законы отражения и преломления света.

Прямая, указывающаянаправление распространения света, называется световым лучом. На границе двухсред свет может частично отразиться и распространяться в первой среде по новомунаправлению, а также частично пройти через границу и распространиться во второйсреде. Луч падающий, отраженный и перпендикуляр к границе двух сред,восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Угол отражения равенуглу падения. Этот закон совпадает с законом отражения волн любой природы идоказывается принципом Гюйгенса. При прохождении светом границы раздела двухсред отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величинапостоянная для двух данных сред />.<рисунок>. Величина n называется показателем преломления. Показательпреломления среды относительно вакуума называется абсолютным показателемпреломления этой среды />. Принаблюдении эффекта преломления можно заметить, что в случае перехода среды изоптически более плотной среды в менее плотную, при постепенном увеличении углападения можно достигнуть такой его величины, что угол преломления станет равен />. При этом выполняетсяравенство />. Угол падения a0называется предельным углом полного отражения. При углах, больших a0,происходит полное отражение.

66. Линза,  построение изображения. Формула линзы.

/>Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическимиповерхностями. Линза, которая у краев толще, чем в середине, называется вогнутой,которая в середине толще – выпуклой. Прямая, проходящая через центры обеихсферических поверхностей линзы, называется главной оптической осью линзы. Еслитолщина линзы мала, то можно сказать, что главная оптическая ось пересекается слинзой в одной точке, называемой оптическим центром линзы. Прямая, проходящаячерез оптический центр, называется побочной оптической осью. Если на линзунаправить пучок света, параллельный главной оптической оси, то у выпуклой линзыпучок соберется в точкеF, называемой главным фокусом. Если такой жепучок направить на вогнутую линзу, то пучок рассеивается так, что лучи какбудто бы исходят из точки F, называемой мнимым фокусом. Если направитьпучок света параллельной побочной оптической оси, то он соберется на побочномфокусе, лежащем в фокальной плоскости, проходящей через главный фокусперпендикулярно главной оптической оси. Из подобия треугольников очевидно, что /> и />. Найдем соотношение />, откуда />. Но /> и />, т.е. />, что после приведенияподобных дает />. Поделив эторавенство на />, получим формулу линзы />. В формуле линзы расстояниеот линзы до мнимого изображения считается отрицательным. Оптическая силадвояковыпуклой (да и вообще любой) линзы определяется из радиуса ее кривизны ипоказателя преломления стеклом и воздухом />.

66. Когерентность. Интерференция света и ее применение втехнике. Дифракция света. Дифракционная решетка.

В явлениях дифракции иинтерференции наблюдаются волновые свойства света. Две световые частоты,разность фаз которых равна нулю, называются когерентными друг другу. Приинтерференции – сложении когерентных волн – возникает устойчивая во времениинтерференционная картина максимумов и минимумов освещенности. При разностихода /> возникает интерференционныймаксимум, при /> – минимум.Явление отклонения света от прямолинейного распространения при прохождении краяпреграды называется дифракцией света. Это явление объясняется принципомГюйгенса-Френеля: возмущение в любой точке является результатом интерференциивторичных волн, излучаемых каждым элементом волновой поверхности. Дифракцияприменяется в спектральных приборах. Элементом этих приборов являетсядифракционная решетка, представляющая собой прозрачную пластину с нанесенной нанее системой непрозрачных параллельных полос, расположенных на расстоянии dдруг от друга. пусть на решетку падает монохроматическая волна. В результатедифракции из каждой щели свет распространяется не только в первоначальномнаправлении, но и во всех других. Если  за решеткой поставить линзу, то в фокальнойплоскости параллельные лучи от всех щелей соберутся в одну полоску. Параллельнылучи идут с разностью хода />. При равенстве разности хода целому числу волн /> наблюдаетсяинтерференционный максимум света. Для каждой длины волны условие максимумавыполняется при своем значении угла j, поэтому решеткаразлагает белый свет в спектр. Чем больше длина волна, тем больше угол.

67. Дисперсия света. Спектр электромагнитногоизлучения. Спектроскопия. Спектральный анализ. Источники излучений и видыспектров.

Узкий параллельный пучокбелого света при прохождении сквозь призму разлагается на пучки света разногоцвета. Цветная полоса, видимая при этом, называется сплошным спектром. Явлениезависимости скорости света от длины волны (частоты) называют дисперсией света.Этот эффект объясняется тем, что белый свет состоит из ЭМ-волн разных длинволны, от которых и зависит показатель преломления. Наибольшее значение онимеет для самой короткой волны – фиолетовой, наименьшее – для красно. В вакуумескорость света независимо от его частоты одинакова. Если источником спектраявляется разреженный газ, то спектр имеет вид узких линий на черном фоне.Сжатые газы, жидкости и твердые тела испускают сплошной спектр, где цвета плавнопереходят друг в друга. Природа возникновения спектра объясняется тем, чтокаждому элементу присущ свой специфический набор излучаемого спектра. Этосвойство позволяет применять спектральный анализ для выявления химическогосостава вещества. Спектроскопом называется прибор, с помощью которогоисследуется спектральный состав света, испускаемого некоторым источником.Разложение производится с помощью дифракционной решетки(лучше) или призмы, дляисследования ультрафиолетовой области применяется кварцевая оптика.

68. Фотоэффект и его законы. Кванты света. УравнениеЭйнштейна для фотоэффекта. Применение фотоэффекта в технике.

Явление вырывания электроновиз твердых и жидких тел под воздействием света называется внешнимфотоэлектрическим эффектом, а вырванные таким образом электроны –фотоэлектронами. Опытным путем установлены законы фотоэффекта – максимальнаяскорость фотоэлектронов определяется частотой света и не зависит от егоинтенсивности, для каждого вещества существует своя красная границафотоэффекта, т.е. такая частота />nmin, прикоторой еще возможен фотоэффект, число фотоэлектронов, вырванных за секунду,прямо пропорционально интенсивности света. Также установлена безынерционностьфотоэффекта – он возникает мгновенно после начала освещения при условиипревышения красной границы. Объяснение фотоэффекта возможно с помощью квантовойтеории, утверждающей дискретность энергии. Электромагнитная волна, по этойтеории, состоит из отдельных порций – квантов(фотонов). При поглощении кванта энергиифотоэлектрон приобретает кинетическую энергию, которую можно найти из уравненияЭйнштейна для фотоэффекта />, где А0– работа выхода, параметр вещества. Количество фотоэлектронов, покидающихповерхность металла пропорциональна количеству электронов, которое, в своюочередь, зависит от освещенности (интенсивности света).

69. Опыты Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц. Ядернаямодель атома. Квантовые постулаты Бора.

Первая модель строения атомапринадлежит Томсону. Он предположил, что атом это положительно заряженный шар,внутри которого расположены вкрапления отрицательно заряженных электронов.Резерфорд провел опыт по облечению быстрыми альфа-частицами металлическойпластинки. При этом наблюдалось, что часть из них немного отклоняются отпрямолинейного распространения, а некоторая доля – на углы более 20.Это было объяснено тем, что положительный заряд в атоме содержится неравномерно, а в некотором объеме, значительно меньшем размера атома. Этацентральную часть была названа ядром атома, где сосредоточен положительныйзаряд и почти вся масса. Радиус атомного ядра имеет размеры порядка 10-15м. Также Резерфорд предложил т.н. планетарную модель атома, по которойэлектроны вращаются вокруг атома как планеты вокруг Солнца. Радиус самойдальней орбиты = радиусу атома. Но эта модель противоречила электродинамике,т.к. ускоренное движение (в т.ч. электронов по окружности) сопровождаетсяизлучением ЭМ-волн. Следовательно, электрон постепенно теряет свою энергию идолжен упасть на ядро. В действительности ни излучения, ни падения электрона непроисходит. Объяснение этому дал Н.Бор, выдвинув два постулата – атомнаясистема может находится только в некоторых  определенных состояниях, в которыхне происходит излучения света, хотя движение происходит ускоренное, и припереходе из одного состояния в другое происходит или поглощение, или испусканиекванта по закону />, где постояннаяПланка />. Различные возможныестационарные состояния определяются из соотношения />,где n – целое число. Для движения электрона по окружности в атомеводорода справедливо выражение />, кулоновская сила взаимодействия с ядром />. Отсюда />. Т.е. ввиду постулата Борао квантовании энергии, движение возможно только по стационарным круговыморбитам, радиусы которых определяются как />.Все состояния, кроме одного, являются стационарными условно, и только в одном –основном, в котором электрон обладает минимальным запасом энергии – атом можетнаходиться сколь угодно долго, а остальные состояния называются возбужденными.

70. Испускание и поглощение света атомами. Лазер.

Атомы могут самопроизвольноиспускать кванты света, при этом оно проходит некогерентно (т.к. каждый атомизлучает независимо от других) и называется спонтанным. Переход электрона сверхнего уровня на нижний может происходит под влиянием внешнегоэлектромагнитного поля с частотой, равной частоте перехода. Такое излучениеназывают вынужденным (индуцированным). Т.е. в результате взаимодействиявозбужденного атома с фотоном соответствующей частоты высока вероятностьпоявления двух одинаковых фотонов с одинаковым направлением и частотой.Особенностью индуцированного излучения является то, что оно монохроматично икогерентно. Это свойство положено в основу действия лазеров (оптическихквантовых генераторов). Для того, чтобы вещество усиливало проходящий черезнего свет, необходимо, чтобы более половины его электронов находилось ввозбужденном состоянии. Такое состояние называется состоянием с инверснойнаселенностью уровней. В этом случае поглощение фотонов будет происходит реже,чем испускание. Для работы лазера на рубиновом стержне используют т.н. лампунакачки, смысл которой заключается в создании инверсной населенности. При этомесли один атом перейдет из метастабильного состояния в основное, то возникнетцепная реакция испускания фотонов. При соответствующей (параболической) формеотражающего зеркала возможно создать луч в одном направлении. Полноевысвечивание всех возбужденных атомов происходит за 10-10с, поэтомумощность лазера достигает миллиардов ватт. Существуют также лазеры на газовыхлампах, достоинством которых является непрерывность излучения. 

70. Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи атомныхядер. Ядерные реакции.

Электрический заряд атомаядра q равен произведению элементарного электрического заряда eна порядковый номер Z химического элемента в таблице Менделеева />. Атомы, имеющие одинаковоестроение, имеют одинаковую электронную оболочку и химически неразличимы. Вядерной физике применяются свои единицы измерения. 1 ферми – 1 фемтометр, />. 1 атомная единица массы –1/12 массы атома углерода />. />. Атомы с одинаковым зарядомядра, но различными массами, называются изотопами. Изотопы различаются своимиспектрами. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Число протонов в ядреравно зарядовому числу Z, число нейтронов – массе минус число протонов A–Z=N.Положительный заряд протона численно равен заряду электрона, масса протона –1.007 а.е.м. Нейтрон не имеет заряда иимеет массу 1.009 а.е.м. (нейтрон тяжелеепротона более чем на две электронные массы). Нейтроны стабильны только всоставе атомных ядер, в свободном виде они живут ~15 минут и распадаются напротон, электрон и антинейтрино. Сила гравитационного притяжения междунуклонами в ядре превышает электростатическую силу отталкивания в 1036 раз.Стабильность ядер объясняется наличием особых ядерных сил. На расстоянии 1 фмот протона ядерные силы в 35 раз превышают кулоновские, но очень быстроубывают, и при расстояния около 1.5 фм ими можно пренебречь. Ядерные силы независят от того, имеется ли у частицы заряд. Точные измерения масс атомных ядерпоказали наличие различия между массой ядра и алгебраической суммой масссоставляющих его нуклонов. Для разделения атомного ядра на составляющиенеобходимо затратить энергию />.Величину /> называют дефектом массы. Минимальную энергию, которуюнеобходимо затратить на разделение ядра на составляющие его нуклоны, называетсяэнергией связи ядра, расходуемой на совершение работы против ядерных силпритяжения. Отношение энергии связи к массовому числу называется удельнойэнергией связи. Ядерной реакцией называется превращение исходного атомного ядрапри взаимодействии с какой-либо частицей в другое, отличное от исходного. Врезультате ядерной реакции могут испускаться частицы или гамма-кванты. Ядерныереакции бывают двух видов – для осуществления одних надо затратить энергию, придругих происходит выделение энергии. Освобождающаяся энергия называется выходомядерной реакции. При ядерных реакциях выполняются все законы сохранения. Законсохранения момента импульса принимает форму закона сохранения спина.

71. Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и ихсвойства.

Ядра обладают способностьюсамопроизвольно распадаться. При этом устойчивыми являются только те ядра,которые обладают минимальной энергией по сравнению с теми, в которые ядро можетсамопроизвольно превратиться. Ядра, в которых протонов больше, чем нейтронов,нестабильны, т.к. увеличивается кулоновская сила отталкивания. Ядра, в которыхбольше нейтронов, тоже нестабильны, т.к. масса нейтрона больше массы протона,а увеличение массы приводит к увеличению энергии. Ядра могут освобождаться отизбыточной энергии либо делением на более устойчивые части (альфа-распад иделение), либо изменением заряда (бета-распад). Альфа-распадом называетсясамопроизвольное деление атомного ядра на альфа частицу /> и ядро-продукт.Альфа-распаду подвержены все элементы тяжелее урана. Способность альфа-частицыпреодолеть притяжение ядра определяется туннельным эффектом (уравнениемШредингера). При альфа-распаде не вся энергия ядра превращается в кинетическуюэнергию движения ядра-продукта и альфа-частицы. Часть энергии может пойти навозбуждения атома ядра-продукта. Таким образом, через некоторое время послераспада ядро продукта испускает несколько гамма-квантов и приходит в нормальноесостояние. Существует также еще один вид распада – спонтанное деление ядер.Самым легким элементом, способным к такому распаду, является уран. Распадпроисходит по закону />, где Т –период полураспада, константа для данного изотопа. Бета-распад представляетсобой самопроизвольное превращение атомного ядра, в результате которого егозаряд увеличивается на единицу за счет испускания электрона. Но масса нейтронапревышает сумму масс протона и электрона. Этот объясняется выделением еще однойчастицы – электронного антинейтрино />. Нетолько нейтрон способен распадаться. Свободный протон стабилен, но привоздействии частиц он может распасться на нейтрон, позитрон и нейтрино. Еслиэнергия нового ядра меньше, то происходит позитронный бета-распад />. Как и альфа-распад,бета-распад также может сопровождаться гамма-излучением.

72. Методы регистрации ионизирующих излучений.

Метод фотоэмульсий – приложитьобразец к фотопластинке, и после проявки по толщине и длине следа частицы наней возможно определить количество и распределение того или иногорадиоактивного вещества в образце. Сцинтилляционный счетчик – прибор, в которомможно наблюдать превращение кинетической энергии быстрой частицы в энергиюсветовой вспышки, которая, в свою очередь, инициирует фотоэффект (импульсэлектрического тока), который усиливается и регистрируется. Камера Вильсона –стеклянная камера с воздухом и пересыщенными парами спирта. При движениичастицы через камеру она ионизирует молекулы, вокруг которых тут же начинаетсяконденсация. Цепочка капель, образовавшихся в результате, образует трекчастицы. Пузырьковая камера работает на тех же принципах, но в качестверегистратора служит жидкость, близкая к температуре кипения. Газоразрядныйсчетчик (счетчик Гейгера) – цилиндр, заполненный разреженным газом и натянутойнитью из проводника. Частица вызывает ионизацию газа, ионы под действиемэлектрического поля расходятся к катоду и аноду, ионизируя по пути другиеатомы. Возникает коронный разряд, импульс которого регистрируется.

73. Цепная реакция деления ядер урана.

В 30ых годах опытно былоустановлено, что при облучении урана нейтронами образуются ядра лантана,который не мог образоваться в результате альфа- или бета-распада. Ядроурана-238 состоит из 82 протонов и 146 нейтронов. При делении ровно пополамдолжен был бы образовываться празеодим />,но в стабильном ядре празеодима нейтронов на 9 меньше. Поэтому при деленииурана образуются другие ядра и избыток свободных нейтронов. В 1939 году былопроизведено первое искусственное деления ядра урана. При этом выделялось 2-3свободных нейтрона и 200 МэВ энергии, причем около 165 МэВ выделялось в видекинетической энергии ядер-осколков /> или /> или />. При благоприятных условияхосвободившиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана. Коэффициентразмножения нейтронов характеризует то, как будет протекать реакция. Если онболее единицы. то с каждым делением количество нейтронов возрастает, ураннагревается до температуры в несколько миллионов градусов, и происходит ядерныйвзрыв. При коэффициенте деления меньшем единицы реакция затухает, а при равноединице – поддерживается на постоянном уровне, что используется в ядерныхреакторах. Из природных изотопов урана только ядро /> способнок делению, а наиболее распространенный изотоп /> поглощаетнейтрон и превращается в плутоний по схеме />.Плутоний-239 по своим свойствам схож с ураном-235.

74. Ядерный реактор. Термоядерная реакция.

Ядерные реакторы бывают двухвидов – на медленных и быстрых нейтронах. Большинство выделяющихся при делении нейтроновимеют энергию порядка 1-2 МэВ, и скорости около 107м/с. Такиенейтроны называются быстрыми, и одинаково эффективно поглощаются какураном-235, так и ураном-238, а т.к. тяжелого изотопа больше, а он не делится,то цепная реакция не развивается. Нейтроны, движущиеся со скоростям около 2×103м/с, называют тепловыми. Такие нейтроныактивнее, чем быстрые, поглощаются ураном-235. Таким образом, для осуществленияуправляемой ядерной реакции, необходимо замедлить нейтроны до тепловыхскоростей. Наиболее распространенными замедлителями в реакторах являютсяграфит, обычная и тяжелая вода. Для того, чтобы коэффициент деленияподдерживался на уровне единицы, используются поглотители и отражатели.Поглотителями являются стержни из кадмия и бора, захватывающие тепловыенейтроны, отражателем – бериллий.

Если в качестве горючегоиспользовать уран, обогащенный изотопом с массой 235, то реактор может работатьи без замедлителя на быстрых нейтронах. В таком реакторе большинство нейтроновпоглощаются ураном-238, который в результате двух бета-распадов становитсяплутонием-239, также являющимся ядерным топливом и исходным материалом дляядерного оружия />. Таким образом,реактор на быстрых нейтронах является не только энергетической установкой, но иразмножителем горючего для реактора. Недостаток – необходимость обогащенияурана легким изотопом.

Энергия в ядерных реакцияхвыделяется не только за счет деления тяжелых ядер, но и за счет соединениялегких. Для соединения ядер необходимо преодолеть кулоновскую силуотталкивания, что возможно при температуре плазмы около 107–108К. Примером термоядерной реакции служит синтез гелия из дейтерия и трития /> или />. При синтезе 1 грамма гелиявыделяется энергия, эквивалентная сжиганию 10 тонн дизельного топлива.Управляемая термоядерная реакция возможна при нагревании ее до соответствующейтемпературы путем пропускания через нее электрического тока или с помощьюлазера.

 

75. Биологическое действие ионизирующих излучений. Защитаот радиации. Применение радиоактивных изотопов.

Мерой воздействия любого вилаизлучения на вещество является поглощенная доза излучения. Единицей дозыявляется грэй, равный дозе, которой облученному веществу массой 1 кг передаетсяэнергия в 1 джоуль. Т.к. физическое воздействие любого излучения на веществосвязано не столько с нагреванием, сколько с ионизацией, то введена единицаэкспозиционной дозы, характеризующей ионизационное действие излучения навоздух. Внесистемной единицей экспозиционной дозы является рентген, равный 2.58×10-4Кл/кг. При экспозиционной дозе в 1рентген в 1 см3 воздуха содержится 2 миллиарда пар ионов. Приодинаковой поглощенной дозе действие различных видов облучения неодинаково. Чемтяжелее частица – тем сильнее ее действие (впрочем, более тяжелую и задержатьлегче). Различие биологического действия излучения характеризуетсякоэффициентом биологической эффективности, равном единице для гамма-лучей, 3для тепловых нейтронов, 10 для нейтронов с энергией 0.5 МэВ. Доза, умноженнаяна коэффициент, характеризует биологическое действие дозы и называетсяэквивалентной дозой, измеряется в зивертах. Основным механизмом действия наорганизм является ионизация. Ионы вступают в химическую реакцию с клеткой инарушают ее деятельность, что приводит к гибели или мутации клетки.Естественный фон облучения составляет в среднем 2 мЗв в год, для городовдополнительно +1 мЗв в год.

76. Абсолютность скорости света. Элементы СТО. Релятивистскаядинамика.

Опытным путем былоустановлено, что скорость света не зависит от того, в какой системе отсчетанаходится наблюдатель. Также невозможно разогнать ни одну элементарную частицу,например электрон, до скорости, равной скорости света. Противоречие между этимфактом и принципом относительности Галилея был разрешен А.Эйнштейном. Основуего [специальной] теории относительности составили два постулата: любыефизические процессы протекают одинаково в различных инерциальных системахотсчета, скорость света в вакууме не зависит от скорости источника света и наблюдателя.Явление, описываемые теорией относительности называются релятивистскими. Втеории относительности вводятся два класса частиц – те, которые движутся соскоростями, меньшими с, и с которыми можно связать систему отсчета, ите, которые движутся со скоростями равными с, с которыми нельзя связатьсистемы отсчета. Умножив это неравенство (/>)на />, получим />. Это выражение представляетиз себя релятивистский закон сложения скоростей, совпадающий с Ньютоновским приv<<c. При  любых относительных скоростях инерциальных системотсчета V<c нельзя путем перехода из одной из них к другой изменитьпринадлежность движущейся частицы к определенному классу частиц.

Собственное время, т.е. то,которое действует в системе отсчета, связанной с частицей, инвариантно, т.е. независит от выбора инерциальной системы отсчета. Принцип относительностимодифицирует это утверждение, говоря, что в каждой инерциальной системе отсчетавремя течет одинаково, но единого для всех, абсолютного, времени не существует.Координатное время связано с собственным временем законом/>. Возведя это выражение вквадрат, получим />. Величину sназывают интервалом. Следствием релятивистского закона сложения скоростейявляется эффект Доплера, характеризующий изменение частоты колебаний взависимости от скоростей движения источника волн и наблюдателя. При движениинаблюдателя под углом Q к источнику, частота изменяется по закону />. При движении удаления отисточника спектр сдвигается к меньшим частотам, соответствующим большей длиневолны, т.е. к красному цвету, при приближении – к фиолетовому. Импульс такжеизменяется при скоростях, близких к с:/>.

77. Элементарныечастицы.

Изначально к элементарнымчастицам относили протон, нейтрон и электрон, позже – фотон.  Когда открылираспад нейтрона – к числу элементарных частиц добавились мюоны и пионы. Ихмасса составляла от 200 до 300 электронных масс. Несмотря на то, что нейтронраспадается на проток, электрон и нейтрино, внутри него этих частиц нет, и онсчитается элементарной частицей. Большинство элементарных частиц нестабильны, иимеют периоды полураспада порядка 10-6–10-16с. Вразработанной Дираком релятивистской теории движения электрона в атомеследовало, что у электрона может существовать двойник с противоположнымзарядом. Эта частица, обнаруженная космическом излучении, называетсяпозитроном. Впоследствии было доказано, что у всех частиц существуют своиантичастицы, отличающиеся спином и (при наличии) зарядом. Также существуютистинно-нейтральные частицы, полностью совпадающие со своими античастицами(пи-нуль-мезон /> и эта-нуль-мезон />). Явление аннигиляции представляетсобой взаимное уничтожение двух античастиц с выделением энергии, например />. По закону сохраненияэнергии выделяемая энергия пропорциональна сумме масс проаннигилировавшихчастиц. В соответствии с законами сохранения, частицы никогда не возникаютпоодиночке. Частицы делятся на группы, по возрастанию массы – фотон, лептоны,мезоны, барионы.

Всего существует 4 видафундаментальных (несводимых к другим) взаимодействия – гравитационное,электромагнитное, слабое и сильное. Электромагнитное взаимодействие объясняетсяобменом виртуальными фотонами (Из неопределенности Гейзенберга следует, что занебольшое время электрон за счет своей внутренней энергии может выпуститьквант, и возместить потерю энергии захватом такого же. Испущенный квантпоглощается другим, таким образом обеспечивая взаимодействие.), сильное –обменом глюонами (спин 1, масса 0, переносят «цветовой» кварковыйзаряд), слабое – векторными бозонами. Гравитационное взаимодействие необъясняется, но кванты гравитационного поля теоретически должны иметь массу 0,спин 2 (???).