Реферат: Вступительные вопросы по физике для заочников, поступающих в СГАУ.

--PAGE_BREAK--Закон Ома для участка цепи: сила тока прямо пропорциональна 
напряжению  и обратно пропорциональна сопротивлению:                                                  

Доказать экспериментально  справедливость закона Ома  трудно.

28. Сопротивление проводников. Последовательное и параллельное соединение проводников.

Сопротивление.Основная электрическая характеристика проводника — сопротивление. От этой величины зависит сила тока в проводнике при заданном напряжении. Сопротивление проводника представляет собой как бы меру противодействия проводника установлению в нем электрического тока.

<img width=«34» height=«29» src=«ref-1_789427507-233.coolpic» v:shapes="_x0000_s1039">


С помощью закона Ома можно определить сопротивление проводника:                              ,

для этого нужно измерить напряжение и силу тока.

<img width=«34» height=«24» src=«ref-1_789427740-230.coolpic» v:shapes="_x0000_s1040">сечения SСопротивление зависит от материала проводника и его геометрических размеров. Сопротивление проводника длиной lс постоянной площадью поперечного равно:
где р — величина, зависящая от рода вещества и его состояния (от температуры в первую очередь). Величину р называют удельным сопротивлением проводника. Удельное сопротивление численно равно сопротивлению проводника, имеющего форму куба с ребром 1 м, если ток направлен вдоль нормали к двум противоположным граням куба.

Проводник имеет сопротивление
1 Ом, если при разности потенциалов 1 В сила тока в нем 1 А.

Единицей удельного сопротивления является1 Ом-м.

Последовательное    соединение проводников. При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений. Все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

Сила тока в обоих проводниках одинакова, т.е. I1=I2=Iтак как в проводниках электрический заряд в случае постоянного тока не накапливается и через любое поперечное сечение проводника за определенное время проходит один итот же заряд.

Напряжение на концах рассматриваемого участка цепи складывается из напряжений на первом и втором проводниках: U=U1+U2

Полное сопротивление всего участка цепи при последовательном соединении равно:
R
=
R
1
+
R
1


Параллельное соединение проводников.

29. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.

<img width=«59» height=«33» src=«ref-1_789427970-253.coolpic» v:shapes="_x0000_s1041"> Электродвижущая сила в замкнутом контуре представляет собой отношение работы сторонних сил при перемещении заряда вдоль контура к заряду:

Электродвижущую силу выражают в вольтах.


Электродвижущая сила гальванического элементаесть работа сторонних

сил при перемещении единичного положительного заряда внутри элемента от одного полюса к другому.

Сопротивление источника часто называют внутренним сопротивлением в отличие от внешнего сопротивления
R
цепи.В генераторе r—это сопротивление обмоток, а в гальваническом элементе — сопротивление раствора электролита и электродов. Закон Ома для замкнутой цепи связывает силу тока в цепи, ЭДС и полное сопротивление R
+
r
цепи.

<img width=«53» height=«24» src=«ref-1_789428223-228.coolpic» v:shapes="_x0000_s1042"> Произведение силы тока и сопротивления участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно закон Ома для замкнутой цепи записывают в форме:

где R
– сопротивление нагрузки, ε –эдс , r
— внутреннее сопротивление.

Сила тока в полной цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению.

Сила тока зависит от трех величин: ЭДС ε, сопротивлений R и rвнешнего и внутреннего участков цепи. Внутреннее сопротивление источника тока не оказывает заметного влияния на силу тока, если оно мало по сравнению с сопротивлением внешней части цепи (R>>r). При этом напряжение на зажимах источника приблизительно равно ЭДС:

U
=
IR
≈
ε
.

При коротком замыкании, когда R→0, сила тока в цепи определяется именно внутренним сопротивлением источника и при электродвижущей силе в несколько вольт может оказаться очень большой, если rмало (например, у аккумулятора r≈0,1—0,001 Ом). Провода могут расплавиться, а сам источник выйти из строя.

Если цепь содержит несколько

последовательно соединенных элементов с ЭДС ε
1, ε2, ε3и т.д., то полная ЭДС цепи равна алгебраической сумме ЭДС отдельных элементов.

Если при обходе цепи переходят от отрицательного полюса источника к положительному, то ЭДС >0.

30. Работа и мощность тока. Закон Джоуля – Ленца.

Работа токаравна: A=IU∆tили A=qU, если ток постоянный, то из закона Ома:

                                                                      q= It→ Iut

Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого совершалась работа.

Нагревание происходит, если сопротивление провода высокое

Мощность тока.Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени.

<img width=«115» height=«30» src=«ref-1_789428451-333.coolpic» v:shapes="_x0000_s1043">Мощность тока равна отношению работы тока за время
∆
t
к этому интервалу времени. Согласно этому определению:


Количество теплоты определяется по закону Джоуля – Ленца:
    продолжение
--PAGE_BREAK--Если электроток протекает в цепи, где не происходят хим. Реакции и не совершается механическая работа, то энергия электрополя превращается во внутреннюю энергию проводника и его температура возрастает. Путем теплообмена эта энергия передается окружающим, более холодным телам. Из закона сохранения энергии следует, что количество теплоты равно работе электрического тока:
                                                     (формула)
Этот закон называется законом Джоуля- Ленца.

31. Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Закон Ампера.

Взаимодействия между проводниками с током, т. е. взаимодействия между движущимися электрическими зарядами, называют  магнитными. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Магнитное поле.Согласно теории близкодействия ток в одном из проводников не может непосредственно действовать на ток в другом проводнике.

В пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.

Электрический ток в одном из проводников создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток во втором проводнике. А поле, созданное электрическим током второго проводника, действует на первый.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Свойства магнитного поля:

1. Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).

2. Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (движущиеся заряды).

Подобно электрическому полю, магнитное поле существует реально, независимо от нас, от наших знаний о нем.

Магнитная индукция – способность магнитного поля оказывать силовое действие на проводник с током (векторная величина). Измеряется вТл.

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса Sк северному N магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика:
если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

 Линии магнитнойиндукции.

Линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной – линии магнитной индукции. Однородное поле – параллельные линии, неоднородное поле – кривыми линиями. Чем больше линий, тем больше сила этого поля. Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми. Магнитное поле — вихревое поле.

<img width=«73» height=«15» src=«ref-1_789428784-260.coolpic» v:shapes="_x0000_s1044">Магнитный поток –величина равная произведению модуля вектора магнитной индукции на площадь и на косинус угла между вектором и нормалью к поверхности.

<img width=«96» height=«21» src=«ref-1_789429044-273.coolpic» v:shapes="_x0000_s1045">Сила Ампера равна произведению вектора магнитной индукции на силу тока, длину участка проводника и на синус угла между магнитной индукцией и участком проводника.


где l
– длина проводника, B
– вектор магнитной индукции.

Силу Ампера применяют в громкоговарителях, динамиках.

Принцип работы: По катушке протекает переменный электрический ток с частотой, равной звуковой частоте от микрофона или с выхода радиоприемника. Под действием силы Ампера катушка колеблется вдоль оси громкоговорителя в такт с колебаниями тока. Эти колебания передаются диафрагме, и поверхность диафрагмы излучает звуковые волны.



32. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца.

Силу, действующую на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называю силой Лоренца.

 Сила Лоренца. Поскольку ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов, то естественно предположить, что сила Ампера является равнодействующей сил, действующих на отдельные заряды, движущиеся в проводнике. Опытным путём установлено, что на заряд, движущийся в магнитном поле, действительно действует сила. Эту силу называют силой Лоренца. Модуль FL силы находится по формуле

<img width=«76» height=«16» src=«ref-1_789429317-262.coolpic» v:shapes="_x0000_i1116">

где В — модуль индукции магнитного поля, в котором движется заряд, q и v — абсолютная величина заряда и его скорость, a— угол между векторами vи В. Эта сила перпендикулярна к векторам vи В, её направление находится по правилу левой руки: если руку расположить так, чтобы четыре вытянутых пальца совпадали с направлением движения положительного заряда, линии индукции магнитного поля входили в ладонь, то отставленный на 900большой палец показывает направление силы. В случае отрицательной частицы направление силы противоположное.

Так как сила Лоренца перпендикулярна скорости частицы, то. она не совершает работу.

Силу Лоренца применяют в телевизорах, масс-спектограф.

Принцип работы: Вакуумная камера прибора помещена в магнитное поле. Ускоренные электрическим полем заряженные частицы  (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с большой точностью измерить радиус траектории. По этому радиусу определяется удельный заряд иона. Зная же заряд иона, легко определить его массу.


33. Магнитные свойства вещества. Магнитная проницаемость. Ферромагнетизм.

Магнитная проницаемость.Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами создают магнитное поле. Благодаря этому вектор магнитной индукции Вв однородной среде отличается от вектора Во в той же точке пространства в вакууме.

<img width=«57» height=«18» src=«ref-1_789429579-243.coolpic» v:shapes="_x0000_s1046">Отношение  характеризующее магнитные свойства среды, получило название магнитной  проницаемости среды.

 В однородной среде магнитная индукция равна:                        где m

—магнитная проницаемость данной среды безразмерная величина, показывающая во сколько раз μ в данной среде, больше μ в вакууме.

Магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него.

Парамагнетиками называются вещества, которые создают слабое магнитное поле, по направлению совпадающее с внешним полем. Магнитная проницаемость наиболее сильных парамагнетиков мало отличается от единицы: 1,00036- у платины и 1,00034- у жидкого кислорода. Диамагнетиками  называются вещества, которые создают поле, ослабляющее внешнее магнитное поле. Диамагнитными свойствами обладают серебро, свинец, кварц. Магнитная проницаемость диамагнетиков отличается от единицы не более чем на десятитысячные доли.

Ферромагнетики и их применение.Вставляя железный или стальной сердечник в катушку, можно во много раз усилить создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей и т. д. изготовляют из ферромагнетиков.

При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным, т. е. создает магнитное поле в окружающем пространстве. Упорядоченная ориентация элементарных токов не исчезает при выключении внешнего магнитного поля. Благодаря этому существуют постоянные магниты.

Постоянные магниты находят широкое применение в электроизмерительных приборах, громкоговорителях и телефонах, звукозаписывающих аппаратах, магнитных компасах и т. д.

Большое применение получили ферриты — ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока. Они представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Первый из известных людям ферромагнитных материалов—магнитный железняк — является ферритом.

 Температура Кюри.При температуре, большей некоторой определенной для данного ферромагнетика, ферромагнитные свойства его исчезают. Эту температуру называют температурой Кюри. Если сильно нагреть намагниченный гвоздь, то он потеряет способность притягивать к себе железные предметы. Температура Кюри для железа 753 °С, для никеля 365 °С, а для кобальта 1000°С. Существуют ферромагнитные сплавы, у которых температура Кюри меньше 100°С.
34. Электромагнитная индукция. Магнитный поток.

Электромагнитная индукция.Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца Мы знаем, что электрический ток создаёт магнитное поле. Естественно возникает вопрос: «Возможно ли появление электрического тока с помощью магнитного поля?». Эту проблему решил Фарадей, открывший явление электромагнитной индукции, которое заключается в следующем: при всяком изменении Магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводящим контуром, в нём возникает электродвижущая сила, называемая э.д.с. индукции. Если контур замкнут, то под действием этой э.д.с. появляется электрический ток, названный индукционньм. Фарадей установил, что э.д.с. индукции не зависит от способа изменения магнитного потока и определяется только быстротой его изменения, т.е.

<img width=«126» height=«32» src=«ref-1_789429822-379.coolpic» v:shapes="_x0000_i1117">, ЭДС может возникать при изменении магнитной индукции В, при повороте плоскости контура, относительно магнитного поля. Знак минус в формуле объясняется по Правилу Ленца: Индуктивный ток направлен так, что своим магнитным полем препятствует изменению внешнего магнитного потока, порождающего индукционный ток.  Соотношение называется законом электромагнитной индукции: ЭДС индукции в проводнике равна быстроте изменения магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводником.

Магнитный поток.Магнитным потоком через некоторую поверхность называют число линий магнитной индукции, пронизывающих её. Пусть в однородном магнитном поле находится плоская площадка площадью S, перпендикулярная к линиям магнитной индукции. (Однородным магнитным полем называется такое поле, в каждой точке которого индукция магнитного поля одинакова по модулю и направлению). В этом случае нормаль nк площадке совпадает с направлением поля. Поскольку через единицу площади площадки проходит число линий магнитной индукции, равное модулю В индукции поля, то число линий, пронизывающих данную площадку будет в S раз больше. Поэтому магнитный поток равен:<img width=«53» height=«17» src=«ref-1_789430201-236.coolpic» v:shapes="_x0000_i1118">

Рассмотрим теперь случай, когда в однородном магнитном поле находится плоская площадка, имеющая форму прямоугольного параллелепипеда со сторонами а и b, площадь которой S = аb. Нормаль n к площадке составляет угол aс направлением поля, т.е. с вектором индукции В. Число линий индукции, проходящих через площадку S и её проекцию Sпр на плоскость, перпендикулярную к этим линиям, одинаково. Следовательно, поток Ф индукции магнитного поля через них одинаков. Используя выражение, находим Ф = ВSпр Из рис.  видно, что Sпр= ab*cos a=Scosa. Поэтому ф =BScos a
.


В системе единиц СИ магнитный поток измеряется в веберах (Вб). Из формулы следует <img width=«99» height=«12» src=«ref-1_789430437-250.coolpic» v:shapes="_x0000_i1119">т.е. 1 Вб — это магнитный поток через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно к линиям магнитнойиндукции в однородном магнитном поле с индукцией 1 Тл. Найдем размерность вебера: <img width=«137» height=«26» src=«ref-1_789430687-339.coolpic» v:shapes="_x0000_i1120">

Известно, что магнитный поток является алгебраической величиной. Примем магнитный поток, пронизывающий площадь контура, положительным. При увеличении этого потока <img width=«38» height=«31» src=«ref-1_789431026-250.coolpic» v:shapes="_x0000_i1121"> возникает з.д.с. индукции <img width=«30» height=«17» src=«ref-1_789431276-207.coolpic» v:shapes="_x0000_i1122">, под действием которой появляется индукционный ток, создающий собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, т.е. магнитный поток индукционного тока отрицателен.

Если же поток, пронизывающий площадь контура, уменьшается (<img width=«37» height=«28» src=«ref-1_789431483-241.coolpic» v:shapes="_x0000_i1123">), то <img width=«32» height=«18» src=«ref-1_789431724-210.coolpic» v:shapes="_x0000_i1124">, т.е. направление магнитного поля индукционного тока совпадает с направлением внешнего поля.



35. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.

Если контур замкнут, то под действием этой э.д.с. появляется электрический ток, названный индукционньм. Фарадей установил, что э.д.с. индукции не зависит от способа изменения магнитного потока и определяется только быстротой его изменения, т.е.

<img width=«56» height=«32» src=«ref-1_789431934-255.coolpic» v:shapes="_x0000_i1125">

Соотношение называется законом электромагнитной индукции: ЭДС индукции в проводнике равна быстроте изменения магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводником. Знак минус в формуле, является математическим выражением правила Ленца. Известно, что магнитный поток является алгебраической величиной. Примем магнитный поток, пронизывающий площадь контура, положительным. При увеличении этого потока
 <img width=«50» height=«39» src=«ref-1_789432189-267.coolpic» v:shapes="_x0000_i1126"> возникает з.д.с. индукции <img width=«40» height=«30» src=«ref-1_789432456-242.coolpic» v:shapes="_x0000_i1127">, под действием которой появляется индукционный ток, создающий собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему полю, т.е. магнитный поток индукционного тока отрицателен.

Если же поток, пронизывающий площадь контура, уменьшается <img width=«44» height=«39» src=«ref-1_789432698-269.coolpic» v:shapes="_x0000_i1128"> , то <img width=«32» height=«21» src=«ref-1_789432967-219.coolpic» v:shapes="_x0000_i1129"> , т.е. направление магнитного поля индукционного тока совпадает с направлением внешнего поля.

Рассмотрим один из опытов, проведённых Фарадеем, по обнаружению индукционного тока, а следовательно, и э.д.с. индукции. Если в соленоид, замкнутый на очень чувствительный электроизмерительный прибор(гальванометр), вдвигать или выдвигать магнит, то при движении магнита наблюдается отклонение стрелки гальванометра, свидетельствующее о возникновении индукционного тока. То же самое наблюдается при движении соленоида относительно магнита. Если же магнит и соленоид неподвижны относительно друг друга, то и индукционный ток не возникает. Из приведённого опыта следует вывод, что при взаимном движении указанных тел происходит изменение магнитного потока через нитки соленоида, что и приводит к появлению индукционного тока, вызванного возникающей э.д.с. индукции.

2. Направление индукционного тока определяется правилом Ленца: индукционный ток всегда имеет такое направление. что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, которое вызывает этот ток. Из этого правила следует, что при возрастании магнитного потока возникающий индукционный ток имеет такое направление, чтобы порождаемое им магнитное поле было направлено против внешнего поля, противодействуя увеличению магнитного потока. Уменьшение магнитного потока, наоборот, приводит к появлению индукционного тока, создающего магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем. Пусть, например, в однородном магнитном поле находится проволочная квадратная рамка, пронизываемая магнитным полем Предположим, что магнитное поле возрастает. Это приводит к увеличению магнитного потока через площадь рамки. Согласно правилу Ленца, магнитное поле, возникающего индукционного тока, будет направлено против внешнего поля, т.е. вектор В2 этого поля противоположен вектору Ё. Применяя правило правого винта (см. § 65, п. З), находим направление индукционного тока Ii.

З. Явление электромагнитной индукции получило широкое применение в технике: промышленности получение электроэнергии на электростанциях,  разогрев и плавление проводящих материалов (металлов) в индукционных электропечах и т.д.
36. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

Явление самоиндукции.Явление возникновения э.д.с. в том же проводнике, по которому течёт переменный ток, называется самоиндукцией, а саму э.д.с. называют э.д.с. самоиндукции. Это явление объясняется следующим. Переменный ток, проходящий по проводнику, порождает вокруг себя переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаёт магнитный поток, изменяющийся со временем, через площадь, ограниченную проводником. Согласно явлению электромагнитной индукции, это изменение магнитного потока и приводит к появлению э.д.с. самоиндукции.

Найдём э.д.с. самоиндукции. Пусть по проводнику с индуктивностью L течёт электрический ток. В момент времени t1 сила этого тока равна I1, а к моменту времени t2 она стала равной I2. Тогда магнитный поток, создаваемый током через площадь ограниченную проводником, в моменты времени t1 и t2 соответственно равен Ф1=LI1 и Ф2=LI2, а изменение DФ магнитного потока равно DФ = LI2 — LI1 = L(I2 — I1) = LDI, где DI=I2— I1 — изменение силы тока за промежуток времени Dt = t2 -t1. Согласно закону электромагнитной индукции, э.д.с. самоиндукции равна:  <img width=«59» height=«36» src=«ref-1_789433186-264.coolpic» v:shapes="_x0000_i1130">   Подставляя в это выражения предыдущую формулу,
Получаем <img width=«45» height=«36» src=«ref-1_789433450-255.coolpic» v:shapes="_x0000_i1131">   Итак, э.д.с. самоиндукции, возникающая в проводнике, пропорциональна быстроте изменения силы тока, текущего по нему. Соотношение  представляет собой закон самоиндукции.

Под действием э.д.с. самоиндукции создаётся индукционный ток, называемый током самоиндукции. Этот ток, согласно правилу Ленца, противодействует изменению силы тока в цепи, замедляя его возрастание или убывание.

1. Индуктивность. Пусть по замкнутому контуру течёт постоянный ток силой I. Этот ток создаёт вокруг себя магнитное поле, которое пронизывает площадь, охватываемую проводником, создавая магнитный поток. Известно, что магнитный поток Ф пропорционален модулю индукции магнитного поля В, а модуль индукции магнитного поля, возникающего вокруг проводника с током, пропорционален силе тока 1. Из этого следует<img width=«36» height=«15» src=«ref-1_789433705-222.coolpic» v:shapes="_x0000_i1132">



Коэффициент пропорциональности L между силой тока и магнитным потоком, создаваемым этим током через площадь, ограниченную проводником, называют индуктивностью проводника.

Индуктивность проводника зависит от его геометрических размеров и формы, а также от магнитных свойств среды, в которой он находится. внутри него. Необходимо отметить, что если магнитная проницаемость среды, окружающей проводник, не зависит от индукции магнитного поля, создаваемого током, текущим по проводнику, то индуктивность данного проводника является постоянной величиной при любой силе тока, идущего в нём. Это имеет место, когда проводник находится в среде с диамагнитными или парамагнитными свойствами. В случае ферромагнетиков индуктивность зависит от силы тока, проходящего по проводнику.

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри (Гн). L = Ф/I и 1 Гн = 1 В6/ 1А, т.е. 1 Гн — индуктивность такого проводника, при протекании по которому тока силой 1А возникает магнитный поток, пронизываю площадь, охватываемую проводником, равный 1Вб.  

Энергия магнитного поля.  При протекании электрического тока по проводнику вокруг него возникает магнитное поле. Оно обладает энергией. Можно показать, что энергия магнитного поля, возникающего вокруг проводника с индуктивностью L,  по которому течёт постоянный ток силой I, равна   <img width=«47» height=«38» src=«ref-1_789433927-269.coolpic» v:shapes="_x0000_i1133">

37. Гармонические колебания. Амплитуда, период и частота колебаний.

Колебаниями называются процессы, характеризуемые определённой повторяемостью со временем.Процесс распространения колебаний в пространстве называют волной. Можно без преувеличения сказать, что мы живём в мире колебаний и волн. Действительно, живой организм существует благодаря периодическому биению сердца, наши лёгкие колеблются при дыхании. Человек слышит и разговаривает вследствие колебаний его барабанных перепонок и голосовых связок. Световые волны (колебания электрических и магнитных полей) позволяют нам видеть. Современная техника также чрезвычайно широко использует колебательные процессы. Достаточно сказать, что многие двигатели связаны с колебаниями: периодическое движение поршней в двигателях внутреннего сгорания, движение клапанов и т.д. Другими важными примерами являются переменный ток, электромагнитные колебания в колебательном контуре, радиоволны и т.д. Как видно из приведённых примеров, природа колебаний различна. Однако они сводятся к двум типам — механическим и электромагнитным колебаниям. Оказалось, что, несмотря на различие физической природы колебаний, они описываются одинаковыми математическими уравнениями. Это позволяет выделить в качестве одного из разделов физики учение о колебаниях и волнах, в котором осуществляется единый подход к изучению колебаний различной физической природы.

Любая система, способная колебаться или в которой могут происходить колебания, называется колебательной. Колебания, происходящие в колебательной системе, выведенной из состояния равновесия и представленной самой себе, называют свободными колебаниями. Свободные колебания являются затухающими, так как энергия, сообщенная колебательной системе, постоянно убывает.

    продолжение
--PAGE_BREAK--Гармоническими называют колебания, при которых какая-либо физическая величина, описывающая процесс, изменяется со временем по закону косинуса или синуса:<img width=«115» height=«17» src=«ref-1_789434196-320.coolpic» v:shapes="_x0000_i1134">

Выясним физический смысл постоянных A, w, a, входящих в это уравнение.

Константа А называется амплитудой колебания. Амплитуда – это наибольшее значение, которое может принимать колеблющаяся величина. Согласно определению, она всегда положительна. Выражение wt+a, стоящее под знаком косинуса, называют фазой колебания. Она позволяет рассчитать значение колеблющейся величины в любой момент времени. Постоянная величина aпредставляет собой значение фазы в момент времени t =0 и поэтому называется начальной фазой колебания. Значение начальной фазы определяется выбором начала отсчёта времени. Величина wполучила название циклической частоты, физический смысл которой связан с понятиями периода и частоты колебаний. Периодом незатухающих колебаний называется наименьший промежуток времени, по истечении которого колеблющаяся величина принимает прежнее значение, или коротко -  время одного полного колебания. Число колебаний, совершаемых в единицу времени, называют частотой колебаний. Частота v связана с периодом Т колебаний соотношением v=1/T

Частота колебаний измеряется в герцах (Гц). 1 Гц частота периодического процесса, при котором за 1 с происходит одно колебание. Найдём связь между частотой и циклической частотой колебания. Используя формулу, находим значения колеблющейся величины в моменты времени t=t1и t=t2=t1+T, где Т — период колебания.

<img width=«96» height=«17» src=«ref-1_789434516-293.coolpic» v:shapes="_x0000_i1135"> <img width=«191» height=«12» src=«ref-1_789434809-345.coolpic» v:shapes="_x0000_i1136">

Согласно определению периода колебаний, <img width=«63» height=«17» src=«ref-1_789435154-265.coolpic» v:shapes="_x0000_i1137">Это возможно, если <img width=«44» height=«13» src=«ref-1_789435419-223.coolpic» v:shapes="_x0000_i1138">, поскольку косинус — периодическая функция с периодом 2pрадиан. Отсюда <img width=«39» height=«30» src=«ref-1_789435642-238.coolpic» v:shapes="_x0000_i1139">. Получаем <img width=«42» height=«14» src=«ref-1_789435880-219.coolpic» v:shapes="_x0000_i1140">. Из этого соотношения следует физический смысл циклической частоты.  Она показывает, сколько колебаний совершается за 2pсекунд.

Свободные колебания колебательной системы являются затухающими. Однако на практике возникает потребность в создании незатухающих колебаний, когда потери энергии в колебательной системе компенсируются за счёт внешних источников энергии. В этом случае в такой системе возникают вынужденные колебания. Вынужденными называют колебания, происходящие  под действием периодически изменяющегося воздействия, асами воздействия — вынуждающими. Вынужденные колебания происходят с частотой, равной частоте вынуждающих воздействий. Амплитуда вынужденных колебаний возрастает при приближении частоты вынуждающих воздействий к собственной частоте колебательной системы. Она достигает максимального значения при равенстве указанных частот. Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, когда частота вынуждающих воздействий равна собственной частоте колебательной системы, называется резонансом.

Явление резонанса широко используется в технике. Оно может быть как полезным, так и вредным. Так, например, явление электрического резонанса играет полезную роль при настройке радиоприемника на нужную радиостанцию изменяя величины индуктивности и ёмкости, можно добиться того, что собственная частота колебательного контура совпадёт с частотой электромагнитных волн, излучаемых какой-либо радиостанцией. В результате этого в контуре возникнут резонансные колебания данной частоты, амплитуды же колебаний, создаваемых другими станциями, будут малы. Это приводит к настройке радиоприёмника на нужную станцию.
38. Математический маятник. Период колебания математического маятника.

39. Колебание груза на пружине. Превращение энергии при колебаниях.

40. Волны. Поперечные и продольные волны. Скорость и длина волны.

41. Свободные электромагнитные колебания в контуре. Превращение энергии в колебательном контуре. Превращение энергии.

Периодические или почти периодические изменения заряда, силы тока и напряжёния называют электрическими колебаниями.

Получить электрические колебания почти столь же просто, как и заставить тело колебаться, подвесив его на пружине. Но наблюдать электрические колебания уже не так просто. Ведь мы непосредственно не видим ни перезарядки конденсатора, ни тока в катушке. К тому же колебания обычно происходят с очень большой частотой.

Наблюдают и исследуют электрические колебания с помощью электронного осциллографа. На горизонтально отклоняющие пластины электроннолучевой трубки осциллографа подается переменное напряжение развертки Up“пилообразной» формы. Сравнительно медленно напряжение нарастает, а потом очень резко уменьшается. Электрическое поле между пластинами заставляет электронный луч пробегать экран в горизонтальном направлении с постоянной скоростью и затем почти мгновенно возвращаться назад. После этого весь процесс повторяется. Если теперь присоединить вертикально отклоняющие пластины к конденсатору, то колебания напряжения при его разрядке вызовут колебания луча в вертикальном направлении. В результате на экране образуется временная «развертка» колебаний, вполне подобная той, которую вычерчивает маятник с песочницей на движущемся листе бумаги. Колебания затухают с течением времени

Эти колебания — свободные. Они возникают после того, как конденсатору сообщается заряд, выводящий систему из состояния равновесия. Зарядка конденсатора эквивалентна отклонению маятника от положения равновесия.

В электрической цепи можно также получить и вынужденные электрические колебания. Такие колебания появляются при наличии в цепи периодической электродвижущей силы. Переменная ЭДС индукции возникает в проволочной рамке из нескольких витков при вращении ее в магнитном поле (рис. 19). При этом магнитный поток, пронизывающий рамку, периодически изменяется, В соответствии с законом электромагнитной индукции периодически меняется и возникающая ЭДС индукции. При замыкании цепи через гальванометр пойдет переменный ток и стрелка начнет колебаться около положения равновесия.

     

2.Колебательный контур. Простейшая система, в которой могут происходить свободные электрические колебания, состоит из конденсатора и катушки, присоединенной к обкладкам конденсатора (рис. 20). Такая система называется колебательным контуром.

Рассмотрим, почему в контуре возникают колебания. Зарядим конденсатор, присоединив его на некоторое время к батарее с помощью переключателя. При этом конденсатор получит энергию:

<img width=«36» height=«32» src=«ref-1_789436099-267.coolpic» v:shapes="_x0000_i1141">

где qm — заряд конденсатора, а С — его электроемкость. Между обкладками конденсатора возникнет разность потенциалов Um.

Переведем переключатель в положение 2. Конденсатор начнет разряжаться, и в цепи появится электрический ток. Сила тока не сразу достигает максимального значения, а увеличивается постепенно. Это обусловлено явлением самоиндукции. При появлении тока возникает переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле в проводнике. Вихревое электрическое поле при нарастании магнитного поля направлено против тока и препятствует его мгновенному увеличению.

По мере разрядки конденсатора энергия электрического поля уменьшается, но одновременно возрастает энергия магнитного поля тока, которая определяется формулой:     <img width=«45» height=«29» src=«ref-1_789436366-258.coolpic» v:shapes="_x0000_i1142">   рис.
где i сила тока,. L — индуктивность катушки. В момент, когда конденсатор полностью разрядится (q=0), энергия электрического поля станет равной нулю. Энергия же тока (энергия магнитного поля) согласно закону сохранения энергии будет максимальной. Следовательно, в этот момент сила тока также достигнет максимального значения

Несмотря на то что к этому моменту разность потенциалов на концах катушки становится равной нулю, электрический ток не может прекратиться сразу. Этому препятствует явление самоиндукции. Как только сила тока и созданное им магнитное поле начнут уменьшаться, возникает вихревое электрическое поле, которое направлено по току и поддерживает его.

В результате конденсатор перезаряжается до тех пор, пока ток, постепенно уменьшаясь, не станет равным нулю. Энергия магнитного поля в этот момент также будет равна нулю, а энергия электрического поля конденсатора опять станет максимальной.

После этого конденсатор вновь будет перезаряжаться и система возвратится в исходное состояние. Если бы не было потерь энергии, то этот процесс продолжался бы сколь угодно долго. Колебания были бы незатухающими. Через промежутки времени, равные периоду колебаний, состояние системы повторялось бы.

Но в действительности потери энергии неизбежны. Так, в частности, катушка и соединительные провода обладают сопротивлением R, и это ведет к постепенному превращению энергии электромагнитного поля во внутреннюю энергию проводника.

При колебаниях, происходящих в контуре, наблюдается превращение энергии магнитного поля в энергию электрического поля и наоборот. Поэтому эти колебания называют электромагнитными. Период колебательного контура находится по формуле :

<img width=«71» height=«21» src=«ref-1_789436624-268.coolpic» v:shapes="_x0000_i1143">



42. Законы отражения и преломления света. Показатель преломления. Явление полного внутреннего отражения света.

43. Дифракция света.  Дисперсия света. Интерференция света.

Дифракция света.В однородной среде свет распространяется прямолинейно. Об этом свидетельствуют резкие тени, отбрасываемые непрозрачными предметами при освещении их точечными источниками света. Однако если размеры препятствий становятся сравнимыми с длиной волны, то прямолинейность распространения волн нарушается. Явление огибания волнами препятствий называется дифракцией. Вследствие дифракции свет проникает в область геометрической тени. Дифракционные явления в белом свете сопровождаются появлением радужной окраски вследствие разложения света на составные цвета. Например, окраска перламутра и жемчуга объясняется дифракцией белого света на мельчайших его вкраплениях.

Широкое распространение в научном эксперименте и технике получили дифракционные решётки, представляющие собой систему узких параллельных щелей одинаковой ширины, расположенных на одинаковом расстоянии d друг от друга. Это расстояние называют постоянной решётки. Пусть на дифракционную решётку ДР, перпендикулярно к ней, падает параллельный пучок монохроматического света (плоская монохроматическая световая волна). Для наблюдения дифракции за ней помещают собираюпхую линзу Л, в фокальной плоскости которой располагают экран Э, на котором приведён вид в плоскости, проведённой поперёк щелям перпендикулярно к дифракционной решётке, а также показаны только лучи у краёв щелей. Вследствие дифракции из щелей исходят световые волны во всех направлениях. Выберем одно из них, составляющее угол jс направлением падающего света. Этот угол называют углом дифракции. Свет, идущий из щелей дифракционной решётки под углом р, собирается линзой в точке Р (точнее в полосе, проходящей через эту точку). Геометрическая разность хода Dlмежду соответствующими лучами, выходящими из соседних щелей, как видно из рис. 84.1, равна А! = d~siп9. Прохождение света через линзу не вносит дополнительной разности хода. Поэтому если А! равна целому числу длин волн, т.е.<img width=«81» height=«19» src=«ref-1_789436892-275.coolpic» v:shapes="_x0000_i1144">, то в точке Р волны усиливают друг друга. Это соотношение является условием так называемых главных максимумов. Целое число mназывают порядком главных максимумов.

Если на решётку падает белый свет, то для всех значений длин волн положение максимумов нулевого порядка (m = О) совпадут; положение же максимумов более высоких порядков различны: чем больше l,????//тем больше j  при данном значении m. Поэтому центральный максимум имеет вид узкой белой полосы, а главные максимумы других порядков представляют разноцветные полосы конечной ширины — дифракционный спектр. Таким образом, дифракционная решётка разлагает сложный свет в спектр и поэтому с успехом используется в спектрометрах.

Дисперсия света.Явление зависимости показателя преломления вещества от частоты света называется дисперсией света. Установлено, что с возрастанием частоты света показатель преломления вещества увеличивается. Пусть на трёхгранную призму падает узкий параллельный пучок белого света на котором показано сечение призмы плоскостью чертежа и одни из лучей). При прохождении через призму он разлагается на пучки света разного цвета от фиолетового до красного. Цветную полосу на экране называют сплошным спектром. Нагретые тела излучают световые волны со всевозможными частотами, лежащими в интервале частот от <img width=«45» height=«19» src=«ref-1_789437167-229.coolpic» v:shapes="_x0000_i1145"> до <img width=«56» height=«21» src=«ref-1_789437396-239.coolpic» v:shapes="_x0000_i1146"> Гц. При разложении этого света и наблюдается сплошной спектр. Возникновение сплошного спектра объясняется дисперсией света. Наибольшее значение показатель преломления имеет для фиолетового света, наименьшее — для красного. Это приводит к тому, что сильнее всего будет преломляться фиолетовый свет и слабее всего —красный. Разложение сложного света при прохождении через призму используется в спектрометрах

3.     Интерференция волн.Интерференцией волн называют явление усиления и ослабления волн в определённых точках пространства при их наложении. Интерферировать могут только когерентные волны. Когерентными называются такие волны (источники), частоты которых одинаковы и разность фаз колебаний не зависит от времени. Геометрическое место точек,  в которых происходит усиление или ослабление волн соответственно называют интерференционным максимумом или интерференционным минимумом, а их совокупность носит название интерференционной картины. В связи с этим можно дать иную формулировку явления. Интерференцией волн называется явление наложения когерентных волн с образованием интерференционной картины.

Явление интерференции света используется для контроля качества обработки поверхностей, просветления оптики, измерения показателей преломления вещества и т.д.
.

44. Фотоэффект и его законы. Кванты света. Уравнение Эйнштейна.

1.Фотоэлектрический эффект.
Явление вырывания электронов из вещества под действием электромагнитных излучений (в том числе и света) называют фотоэффектом. Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний. При внешнем фотоэффекте вырванные электроны покидают тело, а при внутреннем —остаются внутри него. Необходимо отметить, что внутренний фотоэффект наблюдается только в полупроводниках и диэлектриках. Остановимся только на внешнем фотоэффекте. для изучения внешнего фотоэффекта используется схема, приведённая на рис. 87.1. Анод А и катод К помещаются в в сосуд, в котором создаётся высокий вакуум. Такой прибор называется фотоэлементом. Если на фотоэлемент свет не падает, то ток в цепи отсутствует, и амперметр показывает ноль. При освещении его светом достаточно высокой частоты амперметр показывает, что в цепи течёт ток. Опытным путём установлены законы фотоэффекта:

1.   Число электронов, вырываемых из вещества, пропорционально интенсивности света.

2.   Наибольшая кинетическая энергия вылетаю щах электронов пропорциональна частоте света и не зависит ом его интенсивности.

З.   Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е… наименьшая частота <img width=«14» height=«18» src=«ref-1_789437635-189.coolpic» v:shapes="_x0000_i1147"> света, при которой ещё возможен фотоэффект.
Волновая теория света не в состоянии объяснить законы фотоэффекта. Трудности в объяснении этих законов привели Эйнштейна к созданию квантовой теории света. Он пришёл к выводу, что свет представляет собой поток особых частиц, называемых фотонами или квантами. Энергия фотонов eравна e
=
h
n
, где n— частота cвeтa, h — постоянная Планка.

Известно, что для вырывания электрона ему надо сообщить минимальную энергию, называемую работой выхода А электрона. Если энергия фотона больше или равна работе выхода, то электрон вырывается из вещества, т.е. происходит фотоэффект. Вылетающие электроны имеют различные кинетические энергии. Наибольшей энергией обладают электроны, вырываемые с поверхности вещества. Электроны же, вырванные из глубины прежде, чем выйти на поверхность теряют часть своей энергии при соударениях с атомами вещества. Наибольшую кинетическую энергию Wк, которую приобретает электрон, найдём, используя закон сохранения энергии,

<img width=«67» height=«20» src=«ref-1_789437824-256.coolpic» v:shapes="_x0000_i1148">  или <img width=«61» height=«31» src=«ref-1_789438080-270.coolpic» v:shapes="_x0000_i1149">

где mи Vm– масса и наибольшая скорость электрона. Это соотношение можно записать иначе:

<img width=«67» height=«20» src=«ref-1_789438350-250.coolpic» v:shapes="_x0000_i1150"> или <img width=«73» height=«33» src=«ref-1_789438600-289.coolpic» v:shapes="_x0000_i1151">

Это уравнение называют уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно формулируется: энергия поглощённого фотона расходуется на работу выхода электрона и приобретение им кинетической энергии.

Уравнение Эйнштейна объясняет все законы внешнего фотоэффекта. Пусть на вещество падает монохроматический свет. Согласно квантовой теории, интенсивность света пропорциональна энергии, которая переносится фотонами, т.е. пропорциональна числу фотонов. Поэтому с увеличением интенсивности света увеличивается число фотонов, падающих на вещество, а следовательно, и число вырываемых электронов. Это есть первый закон внешнего фотоэффекта. Из формулы (87.1) следует, что наибольшая кинетическая энергия фотоэлектрона зависят от частоты v света и от работы выхода А, но не зависит от интенсивности света. Это второй закон фотоэффекта. И, наконец, из выражения (87.2) вытекает вывод, что внешний фотоэффект возможен, если hv ³
А. Энергии фотона должно по крайней мере, хватить хотя бы на вырывание электрона без сообщения ему кинетической энергии. Тогда красную границу v0 фотоэффекта находим из условия hv0= А или v0=А/h. Таким образом объясняется третий закон фотоэффекта.



45. Ядерная модель атома. Опыты Резерфорда по рассеянию α – частиц.

Состав атомного ядра.Эксперименты Резерфорда показали, что атомы имеют очень малое ядро, вокруг которого вращаются электроны. По сравнению с размерами ядра, размеры атомов огромны и, поскольку практически вся масса атома заключена в его ядре, большая часть объёма атома фактически является пустым пространством. Атомное ядро состоит из нейтронов и протонов. Элементарные частицы, образующие ядра (нейтроны и протоны) — называются нуклонами. Протон (ядро атома водорода) обладает положительным зарядом +е, равным заряду электрона и имеет массу в 1836 раз больше массы электрона. Нейтрон — злектрически нейтральная частица с массой примерно равной 1839 масс электрона.

Количество протонов Z в ядре нейтрального атома равно числу электронов в его электронной оболочке и определяет его заряд, равный +Ze. Число Z называется зарядовым числом и определяет порядковый номер химического элемента периодической системы Менделеева. N — число нейтронов в ядре, А — массовое число, равное суммарному количеству протонов Z и нейтронов N в ядре. Ядро атома обозначается тем же символом, что и химический элемент, снабжаясь двумя индексами (например, <img width=«20» height=«20» src=«ref-1_789438889-207.coolpic» v:shapes="_x0000_i1152">), из которых верхний обозначает массовое, а нижний зарядовое число.

Изотопами
называются ядра с одним и тем же зарядовым числом и различными массовыми числами.Большинство химических элементов имеет несколько изотопов. Они обладают одинаковыми химическими свойствами и занимают одно место в таблице Менделеева. Например, водород имеет три изотопа: протий (<img width=«16» height=«15» src=«ref-1_789439096-197.coolpic» v:shapes="_x0000_i1153">), дейтерий (<img width=«14» height=«13» src=«ref-1_789439293-197.coolpic» v:shapes="_x0000_i1154">) и тритий (<img width=«17» height=«16» src=«ref-1_789439490-200.coolpic» v:shapes="_x0000_i1155">). У кислорода встречаются изотопы с массовыми числами А = 16, 17, 18. В подавляющем большинстве случаев изотопы одного и того же химического элемента обладают почти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например, изотопы водорода)

Приближённо размеры ядра были определены в опытах Резерфорда по рассеянию a-частиц. Наиболее точные результаты получаются при изучении рассеяния быстрых электронов на ядрах. Оказалось, что ядра имеют примерно сферическую форму и её радиус зависит от массового числа А по формуле<img width=«80» height=«15» src=«ref-1_789439690-264.coolpic» v:shapes="_x0000_i1156"> м.

    продолжение
--PAGE_BREAK--