Экзаменационные билеты по физике за 1971 год. Экзаменационные билеты по физике. Расчет силы атмосферного давления на плоскость
РЕСПУБЛИКИ КРЫМ
«ПРИМОРСКИЙ ПРОМЫШЛЕННЫЙ ТЕХНИКУМ»
УТВЕРЖДАЮ___
Зам. директора по УР_
Шилкова Н.М.
«___»____________2016г.
ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ БИЛЕТЫ
Профессия: 08.01.18 – Электромонтажник электрических сетей и оборудования;
15.01.05 – Сварщик;
23.01.03 - Автомеханик
Группы: 212, 214, 218
Семестр: IV
Преподаватель: Шатная О.Г.
Рассмотрены на заседании № ___методической комиссии естественно-математического цикла.
Протокол № ___ от «___»______________2016г.
Председатель МК _____________Шатная О.Г.
«____»________________2016г.
Феодосия 2016
Пояснительная записка
Итоговая аттестация для профильной учебной дисциплины «физика» на втором курсе СПО для профессий технического профиля может проводиться в различных формах: устный экзамен по билетам, собеседование, письменная итоговая аттестация, защита рефератов, исследовательских и проектных работ.
При разработке экзаменационного материала использовались следующие законы Российской Федерации и приказы Министерства образования:
1. Приказ Министерства образования и науки 0т 5.03 2004г. № 1089 «Об утверждении федерального компонента государственных образовательных стандартов начального общего, основного общего и среднего (полного) общего образования (с изменениями на 23 июня 2015г.).
2. Приказ Министерства образования и науки РФ от 29.17.05г. № 413 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования».
3. Приказ Министерства образования и науки РФ от 29.12 2014г. № 1645 «О внесении изменений в Приказ Министерства образования и науки Российской Федерации от 17.05 2012г. № 413 «Об утверждении федерального государственного образовательного стандарта среднего (полного) общего образования».
4. Письмо Министерства образования и науки РФ, Федеральной службы по надзору в сфере образования и науки от 17.02 2014г. № 02-68 «О прохождении государственной итоговой аттестации по образовательным программам среднего общего образования обучающимися по образовательным программам среднего профессионального образования».
5. Письмо Департамента государственной политики в сфере подготовки рабочих кадров и ДПО Министерства образования и науки РФ от 17.03 2015 № 06-259 «Рекомендации по организации получения среднего общего образования в пределах освоения образовательных программ среднего профессионального образования на базе основного общего образования с учетом требований федеральных государственных образовательных стандартов и получаемой профессии или специальности среднего профессионального образования».
6. Кодификатор элементов содержания и требований к уровню подготовки выпускников образовательных организаций для проведения единого государственного экзамена по физике.
Экзамен по физике для профессий 08.01.18 – электромонтажник электрических сетей и оборудования, 15.01.05 - сварщик и 23.01.03 – автомеханик проверяет обязательный минимум освоения среднего образования и требований к уровню освоения учебной дисциплины «физика» на базовом уровне, кроме раздела «Электродинамика», который является профильным.
Структура билетов:
Комплект билетов для профессий, изучающих физику как профильный предмет 258 часов на два года, состоит из 26 билетов, каждый из которых включает два теоритических и один практический вопрос. Теоретические вопросы включают дидактические единицы раздела «Содержание учебной дисциплины» примерной программы общеобразовательной учебной дисциплины «Физика» для профессиональных образовательных организаций. Практическая часть (третий вопрос билетов) проверяет умения обучающихся решать расчетные задачи, а также измерять физические величины и проводить исследования различных физических явлений и законов. В тексте билетов приведены как тематика задач, так и возможная формулировка экспериментальных заданий. Окончательное решение о типах экспериментальных заданий принимается образовательным учебным заведением на основании программы и учебно-методического комплекта, по которому идет обучение в СПО.
В рамках стандарта профильного уровня «Требования к уровню подготовки выпускников» указано, что обучающиеся должны уметь представлять результаты измерений с учетом их погрешностей. Данное требование интерпретируется следующим образом. При проведении косвенных измерений (расчетов) оцениваются абсолютная и относительная погрешности прямых однократных измерений, лежащих в основе расчетов. Оценка же результатов косвенных измерений проводится лишь при сложении (вычитании) и умножении исходных величин. Во всех случаях, которые сопровождаются случайными погрешностями, требовать оценки погрешностей нельзя. В этих случаях прямо указывается лишь на проведение 3-5 измерений в неизменных условиях. Чаще всего термин «косвенные измерения» целесообразно заменит на «расчет по результатам прямых измерений». При построении графиков зависимости физических величин необходимо указывать погрешности прямых измерений, на основании которых строится график.
В приложении к комплекту билетов для профильного уровня приводятся примеры задач к некоторым билетам, которые дают представление о рекомендуемом уровне сложности практических заданий для устного экзамена.
При подготовке преподавателями физики комплектов билетов для устного экзамена рекомендуется сохранять структуру каждого билета: вопросы и задания, включенные в него, должны отражать различные разделы курса. Количество билетов 26 (не менее 20), это количество не зависит от числа обучающихся, сдающих экзамен.
Содержание теоретических и практических вопросов может быть изменено в соответствии с тем учебным-методическим компонентом, по которому изучалась физика в данной образовательной организации, а также с учетом имеющегося лабораторного оборудования. Практические вопросы должны содержать не менее 40% экспериментальных заданий, и при этом не допускается замена экспериментальных заданий расчетными задачами.
При внесении изменений в тексты билетов следует помнить, что общий объем и структура проверяемого на экзамене содержания должны отражать все элементы физических знаний и умений, которые предусмотрены разделом стандарта «Требования к уровню подготовки выпускников» соответствующего уровня».
В процессе подготовки к экзаменам обучающимся предлагаются тексты билетов и возможные варианты практических заданий к каждому из них. Для проведения экзамена готовится отдельный комплект текстовых заданий практической части для каждой группы, который утверждается администрацией образовательного заведения и согласуется с методической комиссией. Тексты заданий хранятся у директора образовательного заведения и заранее обучающимся не сообщаются.
При проведении устного экзамена по физике обучающимся предоставляется право использовать при необходимости:
Справочные таблицы физических величин;
Плакаты и таблицы для ответов на теоритические вопросы;
Непрограммируемый калькулятор для вычислений при решении задач;
Приборы и материалы для экспериментальных заданий.
Для подготовки ответа на вопросы билета обучающимся предоставляется не менее 40 минут.
Оценивать ответ можно, исходя из максимума в 5 баллов за каждый вопрос и выводя затем средний балл за экзамен.
При оценивании ответов обучающихся на теоритические вопросы целесообразно проведение поэлементного анализа ответа на основе требований к знаниям и умениям той программы, по которой они обучались, а также структурных элементов некоторых видов знаний и умений. Ниже приведены обобщающие планы основных элементов физических знаний, в которых знаком * обозначены те элементы, которые нужно считать обязательными и без которых невозможно выставление удовлетворительной оценки.
Решение задач (в билетах профильного уровня)
- считается полностью правильным , если верно записаны формулы, выражающие физические законы, применение которых необходимо для решения задачи выбранным способом, приведены необходимые математические преобразования и расчеты, приводящие к правильному числовому ответу, и представлен ответ.
- удовлетворительным может считаться решение, в котором записаны только исходные формулы, необходимые для решения задачи, и таким образом экзаменуемый демонстрирует понимание представленной в задаче физической модели. При этом допускается наличие ошибок в математических преобразованиях или неверной записи одной из исходных формул.
При оценке экспериментальных заданий
- максимальный балл ставится в том случае, если обучающийся выполняет работу в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения опытов и измерений, самостоятельно и рационально монтирует необходимое оборудование, все опыты проводит в условиях и режимах, обеспечивающих получение правильных результатов и выводов, соблюдает требования правил техники безопасности, правильно и аккуратно выполняет все записи, рисунки, чертежи, графики, вычисления, а также правильно делает анализ погрешностей.
- удовлетворительная оценка ставится при условии понимания обучающимися проверяемого в экспериментальном задании физического явления и правильном проведении прямых измерений.
Критерии оценивания устного ответа на экзамене:
«5» выставляется обучающемуся, если он:
1) обнаружил полное понимание физической сущности рассматриваемых явлений и законом;
2) дает точное определение и истолкование основных понятий, законов, теорий, а также правильное определение физических величин, их единиц и способов;
3) технически грамотно выполняет чертежи, схемы, графики, сопутствующие ответу, правильно записывает формулы, измерения, пользуясь принятой системой условных обозначений;
4) при ответе не повторяет дословно текст учебника или лекции, а умеет отобрать главное, обнаруживает самостоятельность и аргументированность суждений, умеет установить связь между изучаемым материалом, усвоенным при изучении смежных предметов;
5) умеет самостоятельно и рационально работать с учебником, дополнительной литературой и справочником.
«4» ставится в том случае, если ответ удовлетворяет названным выше требованиям, но обучающийся:
1) допускает одну грубую ошибку или не более двух недочетов и может их самостоятельно или при небольшой помощи преподавателя;
2) не обладает достаточными навыками работы со справочной литературой.
«3» ставится в том случае, если обучающийся правильно понимает физическую сущность рассматриваемых явлений и закономерностей, но при ответе:
1) обнаруживает отдельные пробелы в усвоении существенных вопросов курса физики, не препятствующих дальнейшему усвоению программного материала;
2) испытывает затруднения в применении знаний, необходимых для решения задач различных типов, при объяснении конкретных физических явлений на основе теории и законов, или в подтверждении конкретных примеров практического применении теории;
3) отвечает не полно на вопросы преподавателя, или воспроизводит содержание учебника, но не достаточно понимает отдельные положения, имеющие важное значение в этом тексте.
«2» выставляется в том случае, если обучающийся:
1) не знает и не понимает значительную или основную часть программного материала в пределах поставленных вопросов.
Перечень вопросов, выносимых на экзамен
Виды механического движения. Относительность механического движения. Система отсчета. Скорость и ускорение при равноускоренном движении.
Кинематические характеристики и графическое описание равномерного прямолинейного движения.
Кинематические характеристики и графическое описание равноускоренного прямолинейного движения.
Сила. Силы в природе: упругости, трения, сила тяжести. Принцип суперпозиции.
Инерциальные системы отчета. Первый закон Ньютона. Принцип относительности Галилея.
Закон всемирного тяготения. Вес. Невесомость.
Импульс. Закон сохранения импульса. Реактивное движение.
Потенциальная и кинетическая энергия. Закон сохранения энергии в механике.
Свободные и вынужденные механические колебания. Гармонические колебания. Смещение, амплитуда, период, частота, фаза. Зависимость периода колебаний от свойств системы.
Механические волны. Длина волны. Звук. Скорость звука.
Модели строения газов, жидкостей и твердых тел.
Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Броуновское движение.
Тепловое движение молекул. Абсолютная температура – мера средней кинетической энергии
Модель идеального газа. Связь между давлением и средней кинетической энергией молекул.
Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона).
Внутренняя энергия и способы ее изменения. Первый закон термодинамики.
Первый закон термодинамики. Необратимость тепловых процессов.
Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. КПД тепловых двигателей.
Электрический заряд. Закон сохранения заряда. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона.
Электрическое поле, его материальность. Напряженность и потенциал электрического поля.
Проводники и диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость.
Конденсатор. Электроемкость. Электроемкость плоского конденсатора. Соединение конденсаторов.
Постоянный электрический ток. Сопротивление участка цепи. Закон Ома для участка цепи.
Параллельное и последовательное соединение проводников.
Электродвижущая сила. Закон Ома для полной (замкнутой) цепи.
Тепловое действие тока. Закон Джоуля – Ленца. Мощность электрического тока.
Полупроводники. Собственная и примесная проводимость. Полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы.
Свободные носители электрических зарядов в проводниках. Механизм проводимости твердых металлов.
Свободные носители электрического заряда в проводниках. Механизм проводимости растворов и расплавов электролитов.
Магнитное поле. Постоянные магниты и магнитное поле тока и его материальность.
Сила Ампера.
Принцип действия электродвигателя. Электроизмерительные приборы.
Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции. ЭДС индукции в движущемся проводнике.
Принцип действия генератора.
Колебательный контур. Свободные электрические колебания. Превращение энергии в колебательном контуре. Собственная частота колебаний в контуре.
Переменный ток. Техника безопасности в обращении с переменным током.
Устройство и принцип действия трансформатора. Его применение на практике. Передача и использование электроэнергии.
Производство, передача и использование электроэнергии.
Электромагнитное поле. Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн.
Шкала электромагнитных волн. Применение электромагнитных волн в быту и технике.
Принцип радиотелефонной связи.
Свет как электромагнитная волна.
Дисперсия света.
Интерференция и дифракция света. Квантовые свойства света.
Законы отражения и преломления света. Полное отражение. Оптические приборы.
Линзы. Построение изображения в тонкой линзе. Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы.
Фотоэффект. Опыт А.Г. Столетова. Законы фотоэффекта. Технические устройства, основанные на применении фотоэффекта.
Строение атома. Планетарная модель и модель Бора. Поглощение и испускание света атомами. Квантование энергии.
Принцип действия и использование лазера.
Строение атомного ядра. Протон и нейтрон. Взаимосвязь массы и энергии. Энергия связи ядра.
Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и их свойства.
Ядерные реакции. Деление и синтез ядер.
Перечень задач
Задача на применение уравнения состояния идеального газа.
Задача на определение зависимости давления идеального газа от температуры.
Задача на использование уравнения теплового баланса.
Задача на определение КПД теплового двигателя.
Задача на применение закона Кулона.
Задача на расчет электрической цепи с последовательным и параллельным соединением проводников.
Задача на использование закона Ома для участка цепи с учетом удельного сопротивления проводника.
Задача на применение закона Ома для полной (замкнутой) цепи.
Задача на определение нити накаливания лампы.
Задача на расчет напряженности электрического поля.
Задача на применение формулы силы Лоренца.
Задача на применение закона преломления света.
Задача на определение фокусного расстояния линзы.
Задача на определение максимальной кинетической энергии электрона при фотоэффекте.
Задача на определение длины волны, испускаемого света при переходе атома одного стационарного состояния в другое.
Задача на определение энергии связи атомных ядер.
Перечень практических заданий
Определение относительной влажности воздуха.
Определение количество молекул воздуха в учебном кабинете.
Определение работы выхода фотоэлектрона по графику зависимости кинетической энергии фотоэлектрона от частоты света.
Определение сопротивления проводника.
Определение длины медного провода в катушке зажигания.
Определение ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.
Исследование явления электромагнитной индукции.
Изучение зависимости периода колебания математического маятника от его длины.
Наблюдение дифракции света.
Наблюдение интерференции света.
Государственное бюджетное образовательное учреждение ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 1 1. Виды механического движения. Относительность механического движения. Система отсчета. Скорость и ускорение при равноускоренном движении. 2. Полупроводники. Собственная и примесная проводимость. Полупроводниковый диод. Полупроводниковые приборы. 3. Задача на применение силы Лоренца. «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 2 1. Кинематические характеристики и графическое описание равномерного и прямолинейного движения. 2. Свободные носители электрического заряда в проводниках. Механизм проводимости растворов и расплавов в электролитах. 3. Задача на закон Ома для участка цепи с учетом удельного сопротивления. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 3 1. Кинематические характеристики и графическое описание равноускоренного прямолинейного движения. 2. Свободные электрические носители зарядов в проводниках. Механиз проводимости твердых металлов. 3. Задача на закон Кулона. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 4 1. Взаимодействие тел. Сила. Силы в природе: упругости, трения, тяжести. Принцип суперпозиции. 2. Магнитное поле. Постоянные магниты и магнитное поле тока. Его материальность. 3. Экспериментальное задание. Наблюдение дифракции света. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 5 1. Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона. Принцип относительности Галилея. 2. Сила Ампера. 3. Лабораторная работа: «Определение относительной влажности воздуха». Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 6 1. Закон всемирного тяготения. Вес. Невесомость. 2. Принцип действия электродвигателя. Электроизмерительные приборы. 3. Задача на применения закона преломления вещества. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 7 1. Импульс. Закон сохранения импульса. Реактивное движение. 2. Явление электромагнитной индукции. Закон электромагнитной индукции. ЭДС индукции в движущемся проводнике. 3. Экспериментальное задание. Определение работы выхода фотоэлектронов по графику зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 8 1. Потенциальная и кинетическая энергия. Закон сохранения энергии. 2. Принцип действия генератора. 3. Экспериментальное задание. Определить длину медной проволоки. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___ |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 9 1. Свободные и вынужденные механические колебания. Гармонические колебания. Смещение, амплитуда, период, частота, фаза. Зависимость периода колебания от свойств системы. 2. Переменный ток. Техника безопасности в обращении с переменным током. 3. Задача на расчет электрической цепи с последовательным и параллельным соединением проводников. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 10 1. Механические волны. Длина волны. Звук. Скорость звука. 2. Колебательный контур. Свободные электрические колебания. Превращение энергии в колебательном контуре. Собственная частота колебаний в контуре. 3. Экспериментальное задание. Исследование явления электромагнитной индукции. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 11 1. Модели строения газов, жидкостей и твердых тел. 2. Устройство и принцип действия трансформатора. Его применение на практике. Передача и использование электроэнергии. 3. Экспериментальная задача. Определение количества молекул воздуха в учебном кабинете. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 12 1. Основные положения молекулярно-кинетической теории и их опытное обоснование. Броуновское движение. 2. Производство, передача и использование электроэнергии. 3. Лабораторная работа. «Изучение зависимости периода колебания математического маятника от длины нити». Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 13 1. Тепловое движение молекул. Абсолютная температура – мера средней кинетической энергии. 2. Электромагнитное поле. Электромагнитная волна. Свойства электромагнитных волн. 3. Задача на определение длины волны, испускаемого света при переходе атома из одного стационарного состояния в другое. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 14 1. Модель идеального газа. Связь между давлением и средней кинетической энергией молекул. 2. Шкала электромагнитных волн. Применение электромагнитных волн в быту и технике. 3. Лабораторная работа. « Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока». Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 15 1. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева – Клапейрона). 2. Принцип радиотелефонной связи. 3. Задача на определение диэлектрической проницаемости вещества. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 16 1. Внутренняя энергия и способы ее изменения. 2. Свет как электромагнитная волна. 3. Задача на расчет энергии связи атомных ядер. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 17 1. Первый закон термодинамики. Необратимость тепловых процессов. 2. Дифракция света. 3. Задача на определение максимальной кинетической энергии фотоэлектрона при фотоэффекте. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 18 1. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды. КПД теплового двигателя. 2. Интерференция и дисперсия света. 3. Экспериментальное задание. Измерение сопротивления проводника. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 19 1. Электрический заряд. Закон сохранения заряда. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. 2. Закон отражения и преломления света. Полное отражение. Оптические приборы. 3. Задача на применение закона Ома для полной цепи. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 20 1. Электрическое поле и его материальность. Напряженность и потенциал электрического поля. 2. Линзы. Построение изображения в тонкой линзе. Формула тонкой линзы. Оптическая сила линзы. 3. Экспериментальное задание. Наблюдение интерференции света. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 21 1. Электроемкость. Конденсатор. Электроемкость плоского конденсатора. Соединение конденсаторов. 2. Строение атома. Планетарная модель и модель Бора. Поглощение и испускание света атомами. 3. Задача на определение температуры нити накаливания лампы. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 22 1. Электромагнитное поле. Электромагнитные волны, их свойства. 2. Идеальный газ. Уравнение состояния идеального газа. 3. Задача на зависимость давления идеального газа от температуры. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 23 1. Постоянный электрический ток. Сопротивление участка цепи. Закон Ома для участка цепи. 2. Принцип действия и использование лазера. 3. Задача на использование уравнения теплового баланса. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 24 1. Параллельное и последовательное соединение проводников. 2. Строение атомного ядра. Протон и нейтрон. Взаимосвязь массы и энергии. Энергия связи атомного ядра. 3. Задача на определение КПД теплового двигателя. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 25 1. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной (замкнутой) цепи. 2. Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и их свойства. 3. Задача на определение фокусного расстояния линзы. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Государственное бюджетное образовательное учреждение Республики Крым «Приморский промышленный техникум» ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ № 26 1. Тепловое действие тока. Закон Джоуля – Ленца. Мощность электрического тока. 2. Ядерные реакции. Деление и синтез ядер. 3. Задача на применение уравнения состояния идеального газа. Учебная дисциплина ___ФИЗИКА___ Составитель __Шатная О.Г.__ ___________ Председатель МК __Шатная О.Г.__ _________ «___»______________20___г. |
Примерный вариант задач
Ниже приведены примеры задач к некоторым билетам, которые дают представление о рекомендуемом уровне сложности практических заданий для устного экзамена обучающихся СПО по профессиям, изучающих физику как профильный предмет.
Задача 1. Какое давление рабочей смеси устанавливается в цилиндрах двигателя, если к концу такта сжатия температура повышается с 50 до 250°С, а объем уменьшается с 0,75 до 0,12л? Первоначальное давление рабочей смеси равно 80кПа (Примечание 1л = 10 -3 м 3).
Задача 2. Давление газа в электрических лампах накаливания равно 0,45Па. Рассчитайте концентрацию молекул газа при указанном давлении и температуре 27°С.
Задача 3. Какую массу спирта нужно сжечь, чтобы нагреть 2кг воды от 14 до 50°С, если вся теплота, которая выделяется вследствие сгорания спирта, пойдет на нагрев воды?
Задача 4. КПД теплового двигателя 30%. Рабочее тело получило от нагревателя 5кДж теплоты. Рассчитайте работу, совершенную двигателем.
Задача 5. Два одинаковых заряда взаимодействуют в керосине с силой 0,1Н, находясь на расстоянии 10см. Рассчитайте величину этих зарядов.
Задача 6. Найдите распределение токов и напряжений в цепи, если амперметр показывает 2А. Сопротивления резисторов R 1 , R 2 , R 3 и реостата соответственно равны 2, 10, 15, 4Ом.
Задача 7. Участок цепи состоит из стальной проволоки длиной 2м и площадью поперечного сечения 0,48мм 2 , соединенный последовательно с никелиновой проволокой длиной 1м и площадью поперечного сечения 0,21мм 2 . Какое напряжение надо подвести к участку цепи, чтобы получить силу тока 0,6А?
Задача 8. Четыре элемента с внутренним сопротивлением 0,8Ом и ЭДС 2В каждый соединены последовательно и замкнуты на сопротивление 4,8Ом. Рассчитайте силу тока в цепи.
Задача 9. В рабочем режиме температура вольфрамовой нити накала лампы равна 2 800°С. Во сколько раз ее электрическое сопротивление в рабоче режиме больше, чем при 0°С?
Задача10. На расстоянии 3см от заряда 4нКл, находящегося в жидком диэлекутрике, напряженность электрического поля равна 20кВ/м. Какова диэлектрическая проницаемость диэлектрика?
Задача 11. Проводник длиной 40см находится в однородном магнитном поле с индукцией 0,8Тл. Проводник пришел в движение перпендикулярно силовым линиям, когда по нему пропустили электрический ток 5А. Определите работу магнитного поля, если проводник переместился на 20см.
Задача12. В однородное магнитное поле с индукцией 0,09Тл перпендикулярно силовым линиям влетает электрон со скоростью 4·10 4 м/с. Определить радиус окружности, которую будет описывать электрон.
Задача 13. Определите показатель преломления скипидара и скорость распространения света в скипидаре, если известно, что при угле падения
Задача 14. Выполняя лабораторную работу, ученик получил изображение горящей свечи на экране. Каковы фокусное расстояние, оптическая сила и увеличение линзы, если расстояние от свечи до линзы 30см, а расстояние от линзы до экрана 23см?
Задача 15. При переходе электрона в атоме водорода с третей стационарной орбиты на вторую излучабтся фотоны, соответствующие длине волны 0,652мкм (красная линия водородного спектра). Какую энергию теряет при этом атом водорода?
Задача 16. Вычислите энергию связи ядра атома кислорода.
Консультация по подготовке третьего вопроса
Условие задачи | ||
В однородное магнитное поле с индукцией 0,09Тл перпендику-лярно силовым линиям, влетает электрон со скоростью 4·10 4 м/с. Определить радиус окружности, которую будет описывать электрон. | ||
Участок цепи состоит из стальной проволоки длиной 2м и площадью поперечного сечения 0,48мм 2 , соединенный последовательно с никелиновой проволокой длиной 1м и площадью поперечного сечения 0,21мм 2 . Какое напряжение надо подвести к участку цепи, чтобы получить силу тока 0,6А? | ||
Два одинаковых заряда взаимодействуют в керосине с силой 0,1Н, находясь на расстоянии 10см. Рассчитайте величину этих зарядов. | ||
Определите показательпрелом-ления скипидара и скоростьрас-пространения света в скипидаре, если известно, что при угле паде-ния | ||
Найдите распределение токов и напряжений в цепи, если амперметр показывает 2А. Сопротивление резисторов R 1 , R 2 , R 4 и реостат соответственно равны 2, 10, 15, 4Ом. | ||
При переходе электрона в атоме водорода с третей стационарной орбиты на вторую излучабтся фотоны, соответствующие длине волны 0,652мкм (красная линия водородного спектра). Какую энергию теряет при этом атом водорода? | ||
На расстоянии 3см от заряда 4нКл, находящегося в жидком диэлектрике, напряженность поля равна 20кВ/м. Какова диэлектрическая проницаемость диэлектрика? | ||
Вычислите энергию связи ядра атома кислорода. | ||
Какую максимальную кинетическую энергию имеют фотоэлектроны при облучении железа светом с длиной волны 200нм? Красная граница фотоэффекта для железа 288нм. | ||
Четыре элемента с внутренним сопротивлением 0,8Ом и ЭДС 2В каждый соединены последовательно и замкнуты на сопротивление 4,8Ом. Рассчитайте силу тока в цепи. | ||
В рабочем режиме температура вольфрамовой нити накала лампы равна 2 800°С. Во сколько раз ее электрическое сопротивление в рабоче режиме больше, чем при 0°С? | ||
Давление газа в электрических лампах накаливания равно 0,45Па. Рассчитайте концентрацию молекул газа при указанном давлении и температуре 27°С. | ||
Какую массу спирта нужно сжечь, чтобы нагреть 2кг воды от 14 до 50°С, если вся теплота, которая выделяется вследствие сгорания спирта, пойдет на нагрев воды? | ||
КПД теплового двигателя 30%. Рабочее тело получило от нагревателя 5кДж теплоты. Рассчитайте работу, совершенную двигателем. | ||
Выполняя лабораторную работу, ученик получил четкое изображе-ние горящей свечи на экране. Како-вы фокусное растояние, увеличе- ние и оптическая сила линзы? | ||
Какое давление рабочей смеси устанавливается в цилиндрах двигателя, если к концу такта сжатия температура повышается с 50 до 250°С, а объем уменьшается с 0,75 до 0,12л? Первоначальное давление рабочей смеси равно 80кПа (Примечание 1л = 10 -3 м 3). |
Примеры экспериментальных заданий
1. Наблюдение и объяснение физических явлений.
Билет № 10
Тема: Исследование явления электромагнитной индукции.
Оборудование: гальванометр, проволочная катушка, магнит.
Цель: Исследование условия возникновения индукционного тока.
Ход работы:
1. Подключить замкнутый контур к гальванометру.
2. Продемонстрировать способы получения индукционного тока в контуре.
3. Исследовать зависимость направления индукционного тока и его величину.
Подключите гальванометр к катушке, исследуйте возможные способы получения индукционного тока, направление и величину тока.
Билет № 4
Тема: Наблюдение дифракции света.
Оборудование: экран со щелью, штангенциркуль.
Цель: Исследовать дифракционные картины на щели экрана и штанген-циркуле.
Ход работы:
1. Пронаблюдать дифракционную картину на щели экрана.
2. Пронаблюдать дифракционную картину на штангенциркуле.
3. Исследовать полученные дифракционные картины.
Билет № 20
Тема: Наблюдение интерференции света
Оборудование: две стеклянные плоскопараллельные пластины
Цель: исследование интерфереционной картины, полученной на воздушном зазрое.
Ход работы:
1. Сложить две обезжиренные стеклянные пластинки и пронаблюдать интерфереционную картину.
2. Исследовать характер интерфереционной картины от степени нажима на пластины.
2. Измерение физических величин
Билет № 11
Тема: Определение числа молекул воздуха в учебном кобинете
Оборудование: Линейка, таблица плотности вещества
Ход работы:
1. Измерить параметры кабинета и определить его объем.
2. Определив плотность воздуха в кабинете, рассчитать массу воздуха.
3. Приняв молярную массу воздуха равной 0,029кг/моль, рассчитать число молекул в кабинете.
4. Определить абсолютную и относительную погрешность определения чи-сла молекул воздуха в кабинете.
Билет № 5
Тема: Определение относительной влажности в кабинете с помощью пси-хрометра
Оборудование: Термометр, ткань, вода, психрометрическая таблица
Цель: Измерить относительную влажность воздуха, имея один термометр и психрометрическую таблицу
Ход работы:
1. Измерить температуру воздуха.
2. Смочить ткань водой, обернуть термометр и измерить температуру воз-духа влажным термометром.
3. Используя разность показаний сухого и влажного термометра и психро-метрическую таблицу, определить относительную влажность воздуха.
Билет № 14
Тема: Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока
Оборудование: Источник тока, амперметр, вольтметр, соединительные провода.
Цель: Измерить ЭДС и определить внутреннее сопротивление источника тока
Ход ра боты:
1. Измерить ЭДС источника тока.
3. Проделайте опыты по измерению внутреннего сопротивления источника тока.
Билет № 18
Тема: Измерение сопротивления проводника
Оборудование: источник тока,амперметр, вольтметр, реостат
Цель: Определить сопритивление проводника
Ход работы:
1. Собрать электрическую цепь.
2. Измерить силу тока и напряжение на реостате.
3. По закону Ома для участка цепи определить сопротивление проводника.
4. Рассчитайте абсолютную и относительную погрешность измерения сопротивления.
Билет № 8
Тема: Определение длины медной проволоки в катушке зажигания
Оборудование: Источник питания, амперметр, вольтметр, соединительные провода, штангенциркуль, таблица удельных сопротивлений металлов
Цель: Определить длину медной проволоки, абсолютную и относительную погрешность измерения.
Ход работы:
1. Собрать электрическую цепь и измерить силу тока в цепи и напряжение на катушке.
3. Штангенциркулем измерить диаметр проволоки и определить площадь поперечного сечения.
4. Зная удельное сопротивление меди определить длину проводника.
5. Определить абсолютную и относительную погрешность измерений длины проволоки.
3. Расчет физической величины с использованием графических зависимостей исходных физических величин.
Билет № 7
Тема: Определить работу выхода фотоэлектронов по графику зависимости максимальной кинетической энергии фотоэлектронов от частоты света
Оборудование: график зависимости E k = E k (
Цель: определить работу выхода металла
Ход работы:
1. По графику определить красную границу фотоэффекта.
2. По определению красной границы фотоэффекта определить работу выхода для данного металла.
4. Установка связи между физическими величинами
Билет № 12
Тема: Проверка зависимости периода колебания математического маятника от длины нити
Оборудование: Штатив, два математических маятника, линейка, секундомер
Цель: Найти связь между периодом колебания математического маятника и его длиной
Ход работы:
1. Измерить периоды колебаний математических маятников.
2. Измерить длину нити обоих маятников.
3. Найти соотношение между периодом колебания маятников и их длиной.
Механическим движением
тела называется изменение положения тела в пространстве относительно
других тел с течением времени. При рассмотрении вопросов, связанных с движением
тел, можно не принимать во внимание размеры тела. Тело, размерами которого в
данных условиях можно пренебречь, называют материальной точкой.
Положение тела (точки) в пространстве можно
определить относительно какого-либо другого тела, выбранного за тело отсчета A.
Тело отсчета, связанная с ним система
координат и часы составляют систему отсчета.
Характеристики механического движения тела: траектория
(линия,
вдоль которой движется тело), перемещение
(направленный отрезок прямой, соединяющий начальное положение тела M 1
с его последующим положением M 2), скорость
(отношение перемещения ко времени
движения - для равномерного движения). Характеристики механического движения относительны, т. е. они могут быть различными в разных системах
отсчета. Например, за движением лодки
следят два наблюдателя: один на берегу в точке O,
другой - на плоту в точке O 1 (см. рис.). Проведем мысленно
через точку О
систему координат XOY -
это неподвижная система отсчета. Другую систему X"O"Y" свяжем с плотом - это подвижная система координат. Относительно
системы X"O"Y" (плота) лодка за время t совершает перемещение и
будет двигаться со скоростью Относительно системы XOY
(берег) лодка за это же время совершит перемещение ,
, где - перемещение плота относительно
берега. Скорость лодки относительно берега или. Скорость тела
относительно неподвижной системы координат равна геометрической сумме скорости тела относительно подвижной системы
и скорости этой системы относительно неподвижной.
2. Виды механического движения - прямолинейное равномерное, прямолинейное равноускоренное, равномерное движение по окружности
В зависимости от формы траектории движение может
быть прямолинейным
и криволинейным.
Движение называется прямолинейным и равномерным,
если за любые
сколь угодно малые равные промежутки времени тело совершает одинаковые
перемещения. Запишем математическое выражение этого определения. Это значит, что
перемещение определяют по формуле ,
а координату - по формуле .
Движение тела, при котором его скорость за любые равные
промежутки времени изменяется одинаково, называется равноускоренным
движением.
Для характеристики этого движения нужно знать скорость тела в
данный момент времени или в данной точке траектории, т. е. мгновенную скорость,
а также ускорение. Мгновенная
скорость
- это отношение
достаточно малого перемещения на участке траектории, примыкающей к этой точке,
к малому промежутку времени, в течение которого это перемещение совершается. Ускорение
- величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в
течение которого это изменение произошло. Иначе, ускорение - это быстрота
изменения скорости: .
Отсюда формула мгновенной скорости: .
Перемещение при
этом движении определяют по формуле: . При равномерном движении по окружности углы
поворота радиуса за любые равные промежутки времени будут одинаковы. Поэтому
угловая скорость, она измеряется в рад/с. При
этом движении модуль скорости
постоянный, он направлен по касательной к траектории и постоянно меняет
направление (см. рис.), поэтому возникает центростремительное ускорение.
3. Законы Ньютона. Примеры проявления законов Ньютона в природе и использование этих законов в технике
Первый закон Ньютона.
Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно
движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют
другие тела (или действия других тел компенсируются).
Этот закон часто
называется законом инерции,
поскольку движение с постоянной скоростью
при компенсации внешних воздействий на тело называется инерцией.
Второй закон Ньютона.
Сила,
действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой
ускорение
. - ускорение прямо
пропорционально действующей (или равнодействующей) силе и обратно пропорционально
массе тела. Третий закон Ньютона.
Из опытов по взаимодействию тел следует, из второго закона Ньютона и, поэтому . Силы
взаимодействия между телами: направлены по одной прямой, равны по величине,
противоположны по направлению, приложены к разным телам (поэтому не могут уравновешивать
друг друга), всегда действуют парами и имеют одну и ту же природу.
Законы Ньютона выполняются одновременно, они
позволяют объяснить закономерности движения планет, их естественных и
искусственных спутников. Иначе, позволяют предвидеть траектории движения планет,
рассчитывать траектории космических кораблей и их координаты в любые заданные
моменты времени. В земных условиях они позволяют объяснить течение воды,
движение многочисленных и разнообразных транспортных средств (движение автомобилей,
кораблей, самолетов, ракет). Для всех этих движений, тел и сил справедливы
законы Ньютона.
4. Взаимодействие тел: силы тяжести, упругости, трения. Примеры проявления этих сил в природе и технике
Опыты с различными телами показывают, что при
взаимодействии двух тел оба тела получают ускорения, направленные в
противоположные стороны. При этом отношение абсолютных значений ускорений
взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс. Обычно вычисляют
ускорение одного тела (того, движение которого изучается). Влияние же другого
тела, вызывающего ускорение, коротко называется силой.
В механике
рассматриваются сила тяжести,
сила упругости
и сила трения.
Сила тяжести
- это сила, с которой Земля притягивает к себе все тела, находящиеся
вблизи ее поверхности ().
Сила тяжести приложена к самому телу и направлена вертикально вниз (рис. 1а). Сила упругости
возникает
при деформации тела (рис. 1б),
она направлена перпендикулярно поверхности
соприкосновения взаимодействующих тел. Сила упругости пропорциональна
удлинению: .Знак «-» показывает, что сила упругости направлена в сторону, противоположную
удлинению, k -
жесткость
(пружины) зависит от ее геометрических размеров и материала. Сила, возникающая в месте соприкосновения тел и
препятствующая их относительному перемещению, называется силой трения.
Если тело скользит по какой-либо
поверхности, то его движению препятствует сила трения скольжения, где N - сила реакции опоры (рис. 2), m - коэффициент трения скольжения. Сила трения скольжения всегда направлена
против движения тела. Сила тяжести
и сила упругости
- это силы, зависящие
от координат взаимодействующих тел относительно друг друга. Сила трения
зависит от скорости тела, но не зависит от координат. Как в природе, так и в технике эти силы проявляются одновременно или
парами. Например, сила трения увеличивается при увеличении силы тяжести. В быту
часто полезное трение усиливают, а вредное - ослабляют (применяют смазку,
заменяют трение скольжения трением качения).
5. Импульс тела. Закон сохранения импульса. Примеры проявления закона сохранения импульса в природе и использования этого закона в технике
Импульс тела
- это произведение массы тела на его скорость ().
Импульс тела - величина векторная. Предположим, что взаимодействуют друг с другом
два тела (тележки) (см. рис.) с массами m 1
и m 2 , движущиеся относительно выбранной системы отсчета со скоростями и .
На тела при их взаимодействии действовали соответственно силы и ,
и после взаимодействия они
стали двигаться со скоростями и
.
Тогда, t - время взаимодействия. Согласно третьему закону Ньютона, следовательно, или .
В
левой части равенства - сумма импульсов обоих тел (тележек) до взаимодействия,
в правой - сумма импульсов тех же тел после взаимодействия. Импульс каждой тележки
изменился, сумма же осталась неизменной. Это справедливо для замкнутых систем,
к которым относят группы тел, которые не взаимодействуют с другими телами, не
входящими в эту группу. Отсюда вывод, т. е. закон
сохранения импульса: Геометрическая
сумма импульсов т л, составляющих замкнутую систему,
остается посто янной при любых взаимодействиях тел
этой системы между собой.
Примером проявления закона сохранения импульса является реактивное
движение. Оно наблюдается в природе (движение осьминога) и очень широко в
технике (водометный катер, огнестрельное оружие, движение ракет и
маневрирование космических кораблей).
6. Механическая работа и мощность. Простые механизмы. КПД простых механизмов
Физическая величина, равная произведению модуля силы
на модуль перемещения и косинус угла между ними, называется механической
работой
(см. рис.). . Работа - величина скалярная. Измеряется работа в джоулях (Дж). 1 Дж - это работа,
совершаемая силой в 1 Н на перемещение 1 м. В зависимости от направлений векторов силы и перемещения механическая
работа может быть положительной, отрицательной или равной нулю. Например,
если векторы и совпадают, то cos0 0 = 1 и A > 0. Если векторы и
направлены в
противоположные стороны, то cos180 0 = -1 и A < 0. Если же и перпендикулярны, то cos90 0 = 0 и A = 0. Мощность машины или
механизма
- это отношение совершенной
работы ко времени, в течение которого
она совершена. .
Измеряется мощность в ваттах (Вт), 1 Вт = 1 Дж/с. Простые механизмы: наклонная плоскость, рычаг,
блок. Их действие подчиняется «золотому правилу механики»:
во сколько
раз выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в перемещении.
На практике совершаемая с помощью механизма
полная работа всегда несколько больше полезной. Часть работы совершается
против силы трения в механизме и перемещения его отдельных частей. Например,
применяя подвижный блок, приходится дополнительно совершать работу по поднятию
самого блока, веревки и по преодолению
силы трения в оси блока. Поэтому для любого механизма полезная работа (A П) всегда меньше, чем полная, затраченная (A З). По этой причине КПД = A П /A З 100% любого механизма не может быть больше или
хотя бы равен 100%.
7. Механические колебания (на примере математического или пружинного маятников). Характеристики колебательных движений: амплитуда, период, частота. Соотношение между периодом и частотой. График колебания
Механическими колебаниями
называют движения тел, которые точно (или приблизительно) повторяются
через равные промежутки времени. Примерами механических колебаний являются
колебания математического или пружинного маятников (рис. 1).
Свободные
(собственные)
колебания совершаются под действием внутренних сил колебательной системы, а вынужденные
-
под действием сил, не входящих в колебательную систему. Колебательные движения происходят, если: 1) сила,
действующая на тело в любой точке траектории, направлена к положению
равновесия, а в самой точке равновесия равна нулю; 2) сила пропорциональна
отклонению тела от положения равновесия. Для пружинного маятника такой силой
является сила упругости (F УПР =
-k x),
для математического - равнодействующая сил
тяжести маятника и упругости нити подвеса (F = -
m
g
x
/ l
). Координата
колеблющегося тела изменяется со временем по закону синуса и графически представлена в виде
синусоиды (рис. 2). Амплитуда (A) -
наибольшее расстояние, на которое удаляется тело от положения
равновесия. Период (Т) -
время одного полного колебания. Частота -
число
колебаний за 1 секунду (). Период колебания
определяют: для пружинного маятника Т = 2п^т/Н", для
математического маятника.
8. Механические волны. Длина волны, скорость распространения волны и соотношения между ними. Звуковые волны. Эхо
Механические волны
- это распространяющиеся в упругой среде возмущения (отклонения частиц
среды от положения равновесия). Если колебания частиц и распространение волны
происходят в одном направлении, волну называют продольной,
а если эти
движения происходят в перпендикулярных направлениях, - поперечной.
Продольные волны,
сопровождаемые деформациями растяжения и сжатия, могут распространяться в любых
упругих средах: газах, жидкостях и твердых телах. Поперечные волны
распространяются в тех средах, где появляются силы упругости при деформации
сдвига, т. е. в твердых телах. При
распространении волны происходит перенос энергии без переноса вещества. Скорость, с которой распространяется возмущение в
упругой среде, называют скоростью волны.
Она определяется упругими
свойствами среды. Расстояние, на которое распространяется волна за время,
равное периоду колебаний в ней (T), называется длиной
волны
l
(ламбда). или. Звуковые
волны
- это продольные волны, в
которых колебания частиц происходят вдоль ее распространения. Скорость звука в различных средах разная, в твердых телах и жидкостях она
значительно больше, чем в воздухе. На границе сред с упругими свойствами
звуковая волна отражается. С явлением отражения звука связано эхо. Это явление
состоит в том, что звук от источника доходит до какого-то препятствия,
отражается от него и возвращается к месту, где он возник, через промежуток
времени не менее 1/15 с. Через такой интервал времени человеческое ухо способно
воспринимать раздельно следующие один за другим звуки.
9. Потенциальная и кинетическая энергия. Примеры перехода энергии из одного вида в другой. Закон сохранения энергии
Энергия - характеристика состояния тела. Кинетическая энергия
- энергия движущегося тела. Если на тело массой m
действует постоянная сила P,
совпадающая с направлением движения, то
работа .
Но, тогда. Работа - мера изменения энергии.
Кинетическая энергия.
Работа действующих сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической
энергии. При, - кинетическая энергия равна работе, которую должна совершить сила,
действующая на тело, чтобы сообщить данную скорость. Потенциальная энергия
-
энергия взаимодействия. Работа - потенциальная энергия тела, поднятого на высоту
h
над нулевым уровнем (например, над уровнем
Земли). Знак «-» означает, что, когда работа силы тяжести положительна,
потенциальная энергия тела уменьшается. Потенциальная энергия не зависит от
скорости, а зависит от координаты тела (от высоты). Потенциальная энергия
деформированной пружины .
Сумму кинетической и потенциальной энергий
тела называют его полной механической энергией.
Полная механическая
энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения или упругости,
остается неизменной при любых движениях тел системы.
Это утверждение
является законом сохранения энергии в механических процессах.
На примере
свободно падающего тела можно показать, что при его движении потенциальная
энергия переходит в кинетическую. При этом потенциальная энергия уменьшается
ровно на столько, на сколько увеличивается кинетическая энергия: или, т. е. полная механическая энергия
во все время падения остается неизменной, хотя потенциальная энергия
превращается в кинетическую.
10. Представления о дискретном состоянии вещества. Газообразное, жидкое и твердое состояния вещества. Опытное обоснование характера движения и взаимодействия частиц, из которых состоят вещества в различных агрегатных состояниях
Все вещества, независимо от их агрегатного
состояния, состоят из огромного числа частиц (молекул и атомов), эти частицы
непрерывно и хаотически движутся, а также взаимодействуют между собой. Эти
положения имеют опытное подтверждение. Опытным обоснованием дискретности
строения вещества является
растворение краски в воде, приготовление чая и многие технологические процессы. Непрерывность, хаотичность движения частиц
вещества подтверждается существованием ряда явлений: диффузии -
самопроизвольного перемешивания разных веществ вследствие проникновения частиц
одного вещества между частицами другого; броуновского движения -
беспорядочного движения взвешенных в жидкостях мелких частиц под действием
ударов молекул жидкости. О том, что
частицы вещества взаимодействуют между собой, говорят опытные факты: притяжение
(слипание, смачивание, усилие при растяжении), отталкивание
(упругость, несжимаемость твердых и жидких тел). Силы взаимодействия частиц
вещества проявляются только на расстояниях, сравнимых с размерами самих частиц. Агрегатное состояние вещества зависит от
характера движения и взаимодействия. Газообразное состояние
(газы легко
сжимаются, занимают весь объем, имеют
малую плотность) характеризуются большими расстояниями и слабым взаимодействием
частиц вещества; жидкое состояние
(жидкости практически не сжимаются,
принимают форму сосуда) характеризуется плотной упаковкой и ближним порядком в
упаковке частиц; твердое состояние
(несжимаемы, кристаллическое
строение) характеризуется плотной упаковкой и дальним порядком в упаковке
частиц.
11. Передача давления газами, жидкостями и твердыми телами. Закон Паскаля и его применение в гидравлических машинах
Твердые тела передают производимое на них
давление в сторону действия силы. Для определения давления (p)
необходимо силу (F),
действующую перпендикулярно поверхности,
разделить на площадь поверхности ()-
Давление измеряют в паскалях: 1 Па = 1
Н/м 2 . Давление, производимое на жидкость и газ, передается не только в
направлении действия силы, а в каждую точку жидкости или газа. Это объясняется
подвижностью частиц газа и жидкости. Закон Паскаля.
Давление, производимое на
жидкость или газ, передается без изменения в каждую точку жидкости или газа.
Подтверждением закона являются опыты с шаром Паскаля и работа гидравлических
машин. Остановимся на работе этой машины (см. рис.). F 1
и F 2
- силы, действующие на
поршни, S 1
и S 2
- площади поршней. Давление под малым поршнем. Под большим поршнем. По закону Паскаля p 1 =p 2 , т.
е. давление во всех точках покоящейся
жидкости одинаково, или,
откуда. Машина
дает выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз площадь большого поршня
больше площади малого. Это наблюдается в работе гидравлического пресса,
используемого для изготовления стальных валов машин, железнодорожных колес или
выжимания масла на маслобойных заводах, а также в гидравлических домкратах.
12. Атмосферное давление. Приборы для измерения атмосферного давления. Воздушная оболочка Земли и ее роль в жизнедеятельности человека
Атмосфера
- воздушная оболочка вокруг Земли, простирающаяся на высоту нескольких
тысяч километров. Вследствие действия силы тяжести воздушный слой, прилегающий к Земле, сжат больше всего и передает производимое
на него давление по всем направлениям. В результате этого земная поверхность и
тела, находящиеся на ней, испытывают атмосферное давление. Впервые измерил атмосферное
давление
итальянский физик Торричелли с помощью стеклянной трубки,
запаянной с одного конца и заполненной ртутью (см. рис.). Давление в трубке на
уровне аа
создается силой тяжести столба ртути высотой h =
760 мм, в тоже время на поверхность ртути в чашке
действует атмосферное давление. Эти давления уравновешивают друг друга. Так
как в верхней части трубки после опускания ртутного столба осталось безвоздушное
пространство, то, измерив высоту столба можно определить численное значение
атмосферного давления по формуле: р = =
9,8 Н/кг × 13 600 кг/м 3 × 0,76 м =
101 300 Па = 1013 ГПа.Приборами для
измерения атмосферного давления являются ртутный барометр
и барометранероид.
Принцип действия последнего основан на сжатии пустотелой гофрированной металлической
коробочки и передачи ее деформации через систему рычагов на стрелку-указатель.
Барометр-анероид имеет две шкалы: внутренняя проградуирована в мм рт. ст. (1 мм
рт. ст. =
133,3 Па), внешняя - в килопаскалях. Знание атмосферного
давления весьма важно для предсказания погоды на ближайшие дни. Тропосфера
(нижний слой атмосферы) представляет собой благодаря диффузии однородную смесь
азота, кислорода, углекислого газа и паров воды. Эта смесь газов и поддерживает
нормальную жизнедеятельность всего живого на Земле. Вредные выбросы в атмосферу
загрязняют окружающую среду. Например, авария на Чернобыльской АЭС, аварии на
атомных подводных лодках, выбросы в атмосферу промышленных предприятий и т. п.
13. Действие жидкостей и газов на погруженное в них тело. Архимедова сила, причины ее возникновения. Условия плавания тел
Если на крючок динамометра подвесить тело и
отметить его показания, а затем тело опустить в воду и снова отметить
показания, то увидим уменьшение показаний динамометра (cм. рис., а, б).
Значит, на тело, погруженное
в жидкость, действует выталкивающая сила, равная разности показаний динамометра
и направленная вертикально вверх. Значение этой силы установил Архимед. Закон Архимеда.
На
тело, погруженное в жидкость (газ), действует направленная вертикально вверх
выталкивающая сила, равная по величине весу жидкости (газа), взятой в объеме
погруженного в нее тела (или погруженной части тела): ,
где g
-
ускорение свободного падения, р
Ж -
плотность жидкости, V
T - объем тела, погруженного в жидкость. Возникновение архимедовой силы объясняется тем, что с увеличением
глубины растет давление жидкости (газа) ().
Поэтому силы давления, действующие на
нижние элементы поверхности тела, превосходят аналогичные силы, действующие на
верхние элементы поверхности. На плавающие тела действуют силы: F
A
и F
ТЯЖ 1.
Если F
A
< F
ТЯЖ (так как ,
, то) значит, тело тонет
.
2.
Если F
A
= F
ТЯЖ (= ,)
, то тело находится в равновесии
на любой глубине. 3.
Если F
A > F
ТЯЖ ( > ,)
.
то тело всплывает
до тех пор, пока силы не уравновесятся. Приведенные выше соотношения применимы для
плавающих судов и воздухоплавания.
14. Внутренняя энергия тел и способы ее изменения. Виды теплопередачи, их учет и использование в быту
При падении тел на Землю потенциальная энергия (Е П )
превращается в кинетическую (Е
К =
v 2 /2).
При ударе тел о Землю механическая
энергия превращается во внутреннюю.Внутренняя энергия
- это энергия
движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело.Внутренняя энергия
зависит от температуры тела, его агрегатного состояния, от химических,
атомных
и ядерных реакций.
Она не зависит ни от механического движения
тела, ни от положения этого тела относительно других тел.Внутреннюю энергию
можно изменить путем совершения работы и теплопередачи. Если над телом
совершается работа, то внутренняя энергия тела увеличивается, если же это тело
совершает работу, то его внутренняя энергия уменьшается.Виды теплопередачи: теплопроводность,
конвекция
и излучение.
Теплопроводность
- это перенос энергии
от более нагретых участков тела к менее нагретым за счет теплового движения и
взаимодействия частиц.Хорошую теплопроводность имеют металлы, у жидкостей
теплопроводность невелика, и малую теплопроводность имеют газы. Степень
теплопроводности тел учитывается при конструировании машин, в строительном
деле, холодильных установках.Конвекция
- это процесс теплопередачи путем
переноса энергии потоками жидкости или газа. Явление конвекции проявляется при
отоплении и охлаждении жилых помещений, при образовании тяги в печных и
заводских трубах, а также ветров в атмосфере.Излучение
- это процесс
переноса энергии от одного тела к другому с помощью тепловых (инфракрасных),
видимых и других лучей. При одной и той же температуре тела с темной
поверхностью сильнее излучают (поглощают) энергию, чем со светлой. Это явление
учитывается человеком в быту (цвет одежды от времени сезона), в технике
(окраска холодильников, самолетов, космических кораблей), в земледелии
(парники и теплицы).
15. Плавление кристаллических тел и объяснение этого процесса на основе представлений о строении вещества. Удельная теплота плавления
Переход вещества из твердого состояния в жидкое
называется плавлением.
Обратный процесс называется отвердеванием.
Температура, при которой вещество плавится (отвердевает), называется температурой
плавления (отвердевания) вещества.
Температура плавления и отвердевания для
данного вещества при одинаковых условиях одинакова.При плавлении (отвердевании)
температура вещества не меняется. Однако это не значит, что в процессе плавления
к телу не надо подводить энергию. Опыт показывает, что если подача энергии путем
теплообмена прекращается, то прекращается и процесс плавления.При плавлении
подводимая к телу теплота идет на уменьшение связей между частицами вещества,
т. е. на разрушение кристаллической решетки. При этом возрастает энергия
взаимодействия между частицами. Небольшая же часть теплоты при плавлении
расходуется на совершение работы по изменению объема тела, так как у
большинства веществ при плавлении объем возрастает.В процессе плавления к телу
подводится некоторое количество теплоты, которая называется теплотой плавления:
. Теплота
плавления пропорциональна массе расплавившегося вещества. Величина (ламбда) называется
удельной теплотойплавления
вещества, она равна: . Удельная теплота плавления
показывает, какое
количество теплоты необходимо, чтобы расплавить единицу массы данного вещества
при температуре плавления. Она измеряется в Дж/кг, кДж/кг.Количество теплоты,
выделяющееся при отвердевании (кристаллизации) тела массой т,
также
определяется по указанной выше формуле:
16. Испарение и конденсация. Объяснение этих процессов на основе представлений о строении вещества. Кипение. Удельная теплота парообразования
Испарение
- это парообразование, происходящее с поверхности жидкости. Разные
молекулы жидкости при одной и той же температуре движутся с разными скоростями.
Если достаточно «быстрая» молекула окажется у поверхности жидкости, то она
может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Вылетевшие
с поверхности жидкости молекулы образуют пар. Одновременно с испарением
происходит перенос молекул из пара в жидкость. Явление превращения пара в
жидкость называется конденсацией.Если нет притока энергии к жидкости извне, то
испаряющаяся жидкость охлаждается. Конденсация пара сопровождается выделением
энергии.Скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости и от ее
температуры, от площади ее поверхности, от движения воздушных масс (ветра) над
поверхностью жидкости. Кипение
- это испарение изнутри и с поверхности жидкости. При нагревании жидкости
пузырьки воздуха (он растворен в ней) внутри нее постепенно растут.
Архимедова сила, действующая на пузырьки, увеличивается, они всплывают и лопаются.Эти
пузырьки содержат не только воздух, но и водяной пар, так как жидкость
испаряется внутрь этих пузырьков.Температура кипения -
это температура,
при которой жидкость кипит. В процессе кипения при t o =
сопst к жидкости
следует подводить энергию путем теплообмена, т. е. подводить теплоту
парообразования (Q П
) : Q П =
r
×т.
Теплота парообразования пропорциональна
массе вещества, превратившегося в пар.Величина - удельная теплота парообразования.
Она
показывает, какое количество теплоты необходимо для превращения 1 кг жидкости
в пар при постоянной температуре. Она измеряется в Дж/кг, кДж/кг.Наибольшая
часть теплоты парообразования расходуется на разрыв связей между частицами, некоторая
ее часть идет на работу, совершаемую при расширении пара.С ростом давления
температура кипения жидкости повышается, а удельная теплота парообразования
уменьшается.
17. Принцип действия тепловой машины. Коэффициент полезного действия тепловых машин. Примеры тепловых двигателей. Влияние тепловых машин на окружающую среду и способы уменьшения их вредного воздействия
Большая часть двигателей на Земле - это тепловые
двигатели. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию,
называются тепловыми двигателями.
Любой тепловойдвигатель (паровые и
газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных элементов:
рабочего тела
(это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя
,
от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение
работы; холодильника
,
которым является атмосфера или специальные
устройства (см. рис.).Ни один тепловой двигатель не может работать при
одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно
температура нагревателя больше температуры холодильника. При совершении
работы тепловыми двигателями происходит передача теплоты от более горячих тел
к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количество теплоты Q Н
от нагревателя, совершает работу A"
и передает холодильнику количество теплоты Q Х
. В соответствии с законом сохранения
энергии А"
< Q Н
- Q Х
. В случае равенства речь идет об идеальном двигателе, в котором нет
потерь энергии.Отношение работы к энергии, которое получило рабочее тело от
нагревателя, называют коэффициентом полезного действия
(КПД) h
= = = ;
h
< 1,
так как Q Х
¹0.Паровая или газовая
турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель работают на базе
ископаемого топлива. В процессе работы многочисленных тепловых машин возникают
тепловые потери, которые в конечном счете приводят к повышению внутренней
энергии атмосферы, т. е. к повышению ее температуры. Это может привести к
таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе
с тем к глобальному изменению природных условий. При работе тепловых установок
и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и
растений оксиды азота, углерода и серы. С вредными последствиями работы
тепловых машин можно бороться путем повышения КПД, их регулировки и создания
новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества с отработанными газами.
18. Электризация тел. Два рода электрических зарядов. Электрический ток в металлах и условия его существования. Виды источников тока
Электризация тел при трении (соприкосновении)
объясняется переходом части электронов с одного тела на другое. При этом первое
тело заряжается положительно,
а второе - отрицательно.
Суммарный
же заряд двух тел не изменяется, что является проявлением закона сохранения
электрического заряда.
Одноименно
заряженные тела (или частицы) отталкиваются друг от друга, а разноименно
заряженные - притягиваются. Каждый из взаимодействующих зарядов создает в
окружающем пространстве электрическое поле, которое изображают с
помощью
силовых линий (см. рис.). Это поле материально, непрерывно в пространстве,
способно действовать на другие электрические заряды. Металл в твердом состоянии имеет кристаллическое строение. В узлах
кристаллической решетки металла расположены положительные ионы, а в
пространстве между ними движутся свободные электроны. В обычных условиях в
соответствии с законом сохранения заряда металл электрически нейтрален. Если в
металле создать электрическое поле, то свободные электроны под действием
электрических сил (притяжения и отталкивания) начнут двигаться упорядочение, т.
е. преимущественно в одном направлении. Такое движение электронов называется
электрическим током. Скорость движения электронов - до нескольких миллиметров в
секунду, а скорость распространения электрического поля 300 000 км/с. Поэтому
при создании электрического поля в проводнике все свободные электроны
практически одновременно придут в упорядоченное движение.
Для создания постоянного тока в проводнике необходимо в
нем все время поддерживать электрическое поле. Электрическое поле в проводниках
замкнутой электрической цепи создается и поддерживается с помощью источников
постоянного тока. Наиболее широкое распространение
в практике получили: гальванические элементы, аккумуляторы, генераторы,
солнечные батареи. Принцип действия их разный, например, первые два вида
источников тока преобразуют химическую, третий - механическую, четвертый -
солнечную энергию в электрическую.
19. Явление электромагнитной индукции. Примеры проявления электромагнитной индукции и ее использование в технических устройствах
Если электрический ток создает магнитное поле,
то нельзя ли с помощью магнитного поля получить электрический ток? - такую
задачу поставил английский физик Фарадей, узнав об открытии Эрстеда.
Многочисленные опыты и раздумья привели Фарадея к успеху. Если к катушке с большим числом витков подключить
гальванометр, то, перемещая вдоль катушки постоянный магнит (рис. 1), можно наблюдать отклонение стрелки прибора, т.
е. возникновение индукционного электрического тока. При остановке магнита ток
прекращается, при движении магнита в
обратную сторону меняется направление тока. Многочисленные опыты подтверждают,
что при любом изменении магнитного поля, пронизывающего катушки, в ней возникает
индукционный ток.
Это явление назвали электромагнитной индукцией.
Она возникает при перемещении магнита (электромагнита) относительно катушки
или катушки относительно магнита; при замыкании - размыкании цепи или
изменении тока во второй катушке, если она находится на одном железном
сердечнике с первой катушкой. Явление
электромагнитной индукции лежит в основе действия индукционных генераторов
(постоянного и переменного тока), трансформаторов, микрофонов и
громкоговорителей. Электродинамический
микрофон
(рис. 2) состоит из ГП - образного постоянного
магнита 3, в промежутке между полюсами магнита находится катушка 1,
каркас которой соединен с мебраной 2.
Под действием звуков мембрана
будет колебаться и в катушке возникает индукционный ток, который усиливается с
помощью усилителя низкой частоты и воспроизводится громкоговорителем. Таким
образом, микрофон преобразует механическую энергию звуковых колебаний в электрическую
энергию индукционного тока.
20. Закон Ома для участка цепи. Последовательное и параллельное соедин-е проводников
Напряжение, сила
тока и сопротивление - физические величины, характеризующие явления,
происходящие в электрических цепях. Эти величины связаны между собой. Эту связь
впервые изучил немецкий физик 0м.
Закон Ома звучит так: Сила
тока на участке цепи прямо пропорци
о
наль
на напряжению на этом участке (при заданном сопротивлении) и обратно
про
пор
ци
ональ
на сопротивлению участка (при заданном напряжении): I = U / R
, из формулы следует, что U
= I
×
R
и R = U /
I
. Так как сопротивление
данного проводника не зависит ни от напряжения, ни от силы
тока, то последнюю формулу надо читать так: сопротивление данного проводника
равно отношению напряжения на его концах к силе протекающего по нему тока. В электрических цепях чаще всего проводники (потребители
электрической энергии) соединяются последовательно (например,
лампочки в елочных гирляндах) и параллельно (например, домашние
электроприборы). При последовательном соединении
(рис. 1) сила тока в обоих проводниках (лампочках)
одинакова: I = I 1 = I 2 ,
напряжение на концах
рассматриваемого участка цепи складывается из напряжения на первой
и второй лампочках: U = U 1 + U 2
. Общее сопротивление участка равно сумме сопротивлений лампочек R
= R 1 + R 2 .
При параллельном соединении
(рис. 2) резисторов напряжение на участке цепи и
на концах резисторов одинаково: U = U 1 = U 2 .
сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в отдельных
резисторах: I = I 1 + I 2 .
Общее сопротивление
участка меньше сопротивления каждого резистора. Если сопротивления резисторов
одинаковы (R
1
= R 2
) то общее сопротивление
участка Если в
цепь включено параллельно три и более резисторов, то общее сопротивление может
быть найдено по формуле:
1/R
= 1/R 1 + 1/R 2 + ... + 1/R N
. Параллельно
соединяются сетевые потребители, которые рассчитаны на напряжение, равное напряжению
сети.
21. Законы отражения и преломления света. Показатель преломления. Практическое использование этих законов
При падении света на границу раздела двух сред
часть света отражается в первую среду, а часть проходит во вторую среду, если
она прозрачна, изменяя при этом направление своего распространения, т. е.
преломляется. Закон отражения.
Угол падения равен углу отражения
(a =
b
). Падающий луч AO,
отраженный луч OB
и перпендикуляр OC,
восставленный в точке падения, лежат в одной
плоскости (рис. 1). Законы преломления.
Луч падающий
AO и преломленный
OB лежат в одной плоскости
с перпендикуляром
CD, проведенным в точке падения
луча к плоскости раздела двух сред
(рис. 2). Отношение
синусов угла падения а и угла преломления р постоянно для данных двух сред и
называется показателем преломления
второй среды по отношению к первой: . Законы отражения света
учитываются при построении изображения предмета в зеркалах (плоском, вогнутом и выпуклом) и проявляются в
зеркальном отражении в перископах, в прожекторах, автомобильных фарах и во
многих других технических устройствах. Законы преломления света учитываются при построении изображения во
всевозможных линзах, призмах и их совокупности (микроскоп, телескоп), а также в
оптических приборах (бинокли, спектральные аппараты, фотоаппараты и проекционные
аппараты).
22. Линзы. Фокус линзы. Построение изображений в собирающей линзе. Использование линз в оптических приборах
Прозрачные тела, ограниченные двумя сферическими
поверхностями, называются линзами.
Выпуклые
линзы, у которых
середина толще, чем края, являются собирающими
(рис. 1а), а вогнутые
линзы, у которых середина тоньше, чем края, являются рассеивающими
(рис.
1б).
Прямая, проходящая через центры C 1
и C 2
сферических поверхностей,
ограничивающих линзу, называется главной оптической осью линзы
(рис. 2).
Если направить на линзу пучок лучей, параллельных оптической оси, то после
двойного преломления они собираются в одной точке, называемой фокусом линзы
F
(рис. 3а). OF -
фокусное расстояние линзы. Фокус рассеивающей линзы мнимый (рис. 3б).
Линзы, толщина которых пренебрежимо мала по
сравнению с радиусами кривизны поверхностей, называют тонкими.
Для построения изображений в собирающей
тонкой линзе, фокусы и оптический центр которых заданы, будем пользоваться лучами,
ход которых заранее известен. Построим изображение предмета АВ
(рис. 4).
Для этого направим луч AC
параллельно главной оптической
оси. После преломления он пройдет через фокус линзы. Другой луч AO
проходит через оптический
центр не преломляясь. В точке пересечения этих лучей будет находиться изображение
A 1
точки A.
Не следует думать, что изображение создается двумя или тремя лучами,
оно создается бесконечным множеством лучей, вышедших из точки А
и собравшихся
в точке А
1 .
Такое же построение можно сделать для всех точек предмета, которые находятся
между точками A
и B.
Изображение этих промежуточных точек будет лежать между точками A 1
и B 1 ,
т.
е. A 1 B 1 -
изображение предмета AB.
От положения предмета по отношению к линзе
зависит его изображение. Если предмет находится на расстоянии F
23. Электрическое и магнитное поля. Источники этих полей и индикаторы для их обнаружения. Примеры проявления этих полей
Пространство, окружающее наэлектризованное тело, отличается от пространства, находящегося вокруг ненаэлектризованных тел. Иначе говоря, с каждым зарядом обязательно связано электрическое поле, которое непосредственно действует с некоторой силой на все остальные заряды. Электрическое поле материально. Оно может быть обнаружено по его воздействию на заряженные тела. Это подтверждается следующим (одним из многочисленных) опытом. Если заряженной палочкой прикоснуться к подвешенной на нити гильзе (из металлической фольги), то она оттолкнется. Чем ближе гильза к палочке, тем с большей силой действует на нее электрическое поле палочки. Следовательно, вблизи заряженных тел действие поля сильнее, а при удалении от них поле ослабевает. Электрическое поле исследуют с помощью пробного заряда, находящегося на шарике малых размеров. Магнитное поле проявляется около постоянных магнитов и проводников, по которым идет электрический ток. Широко распространенным индикатором магнитного поля является магнитная стрелка (компас). С помощью этого индикатора можно обнаружить, что разноименные магнитные полюса притягиваются, а одноименные - отталкиваются. Это взаимодействие описывается по схеме: магнит - поле - магнит. Иначе говоря, вокруг магнита существует магнитное поле, которое действует на другие магниты, в частности на магнитные стрелки или намагничивающиеся частицы железа. Как и электрическое поле, магнитное поле материально. Электрические и магнитные поля играют исключительно важную роль в природе и технике. Электрические поля проявляют себя в атмосферном электричестве (интенсивно во время грозы), магнитные - во многих космических явлениях. В технике электрические поля используются при покраске изделий и в фильтрах, магнитные - в электромагнитах, электрических генераторах и двигателях.
1. Механич. движение, его хар-ки. Относительность скорости, перемещения, траектории механич. движения
2. Виды механич. движения - прямолинейное равномерное, прямолинейное равноускоренное, равномерное движение по окружности
3. Законы Ньютона. Примеры проявления з-нов Ньютона в природе и использование этих з-нов в технике
4. Взаимодействие тел: силы тяжести, упругости, трения. Примеры проявления этих сил в природе и технике
5. Импульс тела. Закон сохран. импульса. Примеры проявления з-на сохран. импульса в природе и использования этого закона в технике
6. Механическая работа и мощность. Простые механизмы. КПД простых механизмов
7. Механич. колебания (на примере математического или пружинного маятников). Хар-ки колебательных движений: амплитуда, период, частота. Соотношение между периодом и частотой. График колебания
8. Механич. волны. Длина волны, скорость распространения волны и соотношения между ними. Звуковые волны. Эхо
9. Потенциальная и кинетическая энергия. Примеры перехода энергии из одного вида в другой. Закон сохранения энергии
10. Представления о дискретном состоянии вещества. Газообразное, жидкое и твердое состояния в-ва. Опытное обоснование хар-ра движения и взаимодействия частиц, из которых состоят в-ва в различных агрегатных состояниях
11. Передача давления газами, жидкостями и твердыми телами. Закон Паскаля и его применение в гидравлических машинах
12. Атмосферное давление. Приборы для измерения атмосферного давления. Воздушная оболочка Земли и ее роль в жизнедеятельности человека
13. Действие жидкостей и газов на погруженное в них тело. Архимедова сила, причины ее возникновения. Условия плавания тел
14. Внутренняя энергия тел и способы ее изменения. Виды теплопередачи, их учет и использование в быту
15. Плавление кристаллических тел и объяснение этого процесса на основе представлений о строении вещества. Удельная теплота плавления
16. Испарение и конденсация. Объяснение этих процессов на основе представлений о строении вещества. Кипение. Удельная теплота парообразования
17. Принцип действия тепловой машины. Коэффициент полезного действия тепловых машин. Примеры тепловых двигателей. Влияние тепловых машин на окружающую среду и способы уменьшения их вредного воздействия
18. Электризация тел. Два рода электрических зарядов. Электрический ток в металлах и условия его существования. Виды источников тока
19. Явление электромагнитной индукции. Примеры проявления электромагнитной индук-ции и ее использование в технических устройствах
20. Закон Ома для участка цепи. Последовательное и параллельное соединение проводников
21. Законы отражения и преломления света. Показатель прелом. Практическое использование этих зак-ов
22. Линзы. Фокус Л. Построение изображений в собирающей Л. Использование Л. в оптических приборах
23.
Электрич. и магнитн. поля. Источники этих полей и индикаторы для их
обнаружения. Примеры проявления этих полей
1. Расчет давления твердого тела
Масса человека 90 кг, площадь подошв его ног равна 60 см 2 . Какое давление человек производит на пол? Как изменится значение давления, если человек будет стоять на одной ноге.
Дано : m =90 кг; S =60 см 2 ; p - ? СИ : m =90 кг; S =60×10 -4 м 2 =6×10 -3 м 2 . Решение : p =F /S ; F =m × g ; ; p = =15×10 4 Н/м 2 =15×10 4 Па=150 кПа.
Если человек будет стоять на одной ноге, то площадь опоры уменьшится в два раза. Значит, давление увеличится в два раза и станет равным 300 кПа.
2. Расчет силы атмосферного давления на плоскость
Определите, с какой силой атмосферный воздух давит на поверхность стола размерами 120x50 см 2 . Нормальное атмосферное давление 760 мм рт. ст.
Дано : p =760 мм рт. ст.;S =120x50 см 2 ;F - ? СИ : p =760×133 Па = 101300 Па; S =6000×10 -4 м 2 =0,6 м 2 . Решение : p =F /S ; F =p × S ; p = = 6078 Н»6 кН
3. Расчет давления внутри жидкости
Подводная лодка находится в море на глубине 300 м. Определите давление воды на нее.
Дано : h =300 м; r =1030 кг/м; p - ? Решение : p= r × g × h ; p= »309×10 4 Н/м 2 =3,09×10 6 Па.
4. Расчет количества теплоты, которое потребуется для плавления твердого тела при температуре плавления
Какое количество теплоты необходимо, чтобы расплавить ледяную глыбу массой 12,5 т при температуре плавления? Удельная теплота плавления льда 332 кДж/кг.
Дано :m =12,5 т; l =332 кДж/кг; Q - ? СИ : m =12500 кг; l =332000 Дж/кг. Решение : Q= l × m ; Q =12500 кг×332000 Дж/кг = 415×10 7 Дж = 4,15×10 6 кДж.
5. Расчет количества теплоты, которое требуется для нагревания жидкости до температуры кипения
Какое количество теплоты потребуется для нагревания 10 л воды от 20 0 до кипения.
Дано : V =10 л=10 -2 м 3 ; t 1 =20 0 C; t 2 =100 0 C; c =4,2×10 Дж/(кг× 0 C); r =10 3 кг/м 3 ; Q - ? СИ :;. Решение : Q = m × c ×( t 1 - t 2 ); m = r × V ; Q = r × V × c ×( t 1 - t 2 ); Q = = 4,2×80×10 4 Дж = 3,36×10 6 Дж = 3,36×10 3 кДж.
6. Применение закона Ома для участка цепи
По показаниям приборов (см. рис.) определите сопротивление проводника AB и начертите схему электрической цепи. Дано : U = 2 В; I = 0,5 А; R - ? Решение : I = U / R ; R = U / I ; R = = 4 Ом.
7. Применение формул механической работы и мощности для случая движения автомобиля с постоянной скоростью
Сила тяги мотор автомашины равна 2×10 3 Н. Автомашина движется равномерно со скоростью 72 км/ч. Какова мощность мотора автомобиля и работа, совершенная им за 10 с?
Дано : F =2×10 3 Н; v =72 км/ч; t =10 с; A - ? N - ? Решение : A = F ×s ; s = v ×t ; A = F ×v ×t ; A = 2×10 3 Н×10 с×20 м/c = 4×10 5 Дж = 4×10 2 кДж; N = A / t = = F×v; N = 2×10 3 Н×20 м/c = 4×10 4 Вт = 40 кВт.
9. Применение второго закона Ньютона в случае, когда тело движется прямолинейно под действием одной силы
На покоящееся тело массой 0,2 кг действует в течение 5 с сила 0,1 Н. Какую скорость приобретет тело и какой путь пройдет оно за указанное время?
Дано : m = 0,2 кг; t = 5 с; F = 0,1 Н; v - ? s - ? Решение : F = m ×a ; a = F / m ; v = a × t = ; s = = ; v = =2,5 м/с; s = =6,25 м.
10. Применение закона сохранения импульса при неупругом столкновении тел
Вагон массой 20 т, движущийся со скоростью 0,3 м/с, нагоняет ваг. массой 30 т, движущийся со скоростью 0,2 м/с. Какова скорость вагонов после взаимодействия, если удар неупругий?
Дано : m 1 =20 т; v 1 =0,3 м/с; m 2 =30 т; v 2 =0,2 м/с; v - ? СИ : m 1 = 2×10 4 кг; v 1 =0,3 м/с; m 2 = 3×10 4 кг; v 2 =0,2 м/с. Решение : m 1 ×v 1 + m 2 ×v 2 = (m 1 + m 2 )×v; v = ; v = = = = 0,24 м/с
11. Применение закона сохран-я механич. энергии при свободном падении тел
Тело массой 1 кг падает с высоты 20 м над землей. Вычислить кинетическую энергию тела в момент, когда оно находится на высоте 10 м над землей, и в момент падения на землю.
Дано : m =1 кг; h =20 м; h 1 =10 м; E К1 - ? E К2 - ? СИ :;. Решение : В высшей точке E П = m × g × h ; E K = 0; В средней точке E П 1 = m × g × h 1 ; E K1 = E П - E П 1 ; E П 1 = = 100 Дж; E K1 = 200 Дж - 100 Дж = 100 Дж; В низшей точке E П 2 = 0; E K2 = E П = 200 Дж.
12. Расчет удельного сопротивления проводника
Спираль электрической плитки изготовлена из нихромовой проволоки длиной 13,75 м и площадью поперечного сечения 0,1 мм 2 . Чему равно сопротивление спирали?
Дано : l =13,75 м; S =0,1 мм 2 ; r =1,1 Ом×мм 2 /м; R - ? Решение : ; R = = 151,25 Ом.
13. Расчет мощности и работы электрического тока
Электрический утюг рассчитан на напряжение 220 В. Сопротивление его нагревательного элемента равно 88 Ом. Определите энергию, потребляемую утюгом за 30 мин, и его мощность.
Дано : U =220 В; R =88 Ом; t = 30 мин; A - ? P - ? СИ :;. Решение : A = I ×U ×t ; I = U / R ; ; P = A / t = I × U ; t = 30 мин = 0,5 ч; A = = 2,5 А × 220 В × 0,5 ч = 275 Вт×ч = 0,275 кВт×ч; P = 2,5 А × 220 В = 550 Вт.
14. Расчет количества теплоты, выделяемой электрическим нагреватлем
По проводнику сопротивлением 4 Ом в течение 2 мин прошло 500 Кл электричества. Сколько теплоты выделит проводник?
Дано :R = 1,2 Ом; t = 2 мин; q = 500 Кл; Q - ? СИ : R = 1,2 Ом; t = 120 сек; q = 500 Кл; Решение : Q = I 2 ×R×t; I = q / t; Q = = ; Q = » 25×10 2 Дж = 2,5 кДж.
15. Определение основн. парам-ров гармонического колеб. движ. по его графику
По графику, приведенному на рисунке, определите амплитуду, период, частоту. Какие из величин, характеризующих гармонические колебания (амплитуда, период, частота, смещение, скорость, ускорение), являются постоянными и какие - переменными?
1. Расчет давления твердого тела
2. Расчет силы атмосферного давления на плоскость
3. Расчет давления внутри жидкости
4. Расчет кол-ва теплоты, требуемого для плавл. тв. тела при темп-ре плав-я
6. Применение закона Ома для участка цепи
7. Применение формул механич. работы и мощ-ти для случая движ-я автомобиля с постоянной скоростью
8. Чтение и интерполяция графиков зависимости кинематических величин (перемещ-я и скор-ти) от времени
9. Применение второго з-на Ньютона в случае, когда тело движ. прямолинейно под действием одной силы
10. Применение закона сохранения импульса при неупругом столкновении тел
11. Применение закона сохранения механической энергии при свободном падении тел
12. Расчет удельного сопротивления проводника
13. Расчет мощности и работы электрического тока
14. Расчет количества теплоты, выделяемой электрическим нагреватлем
15. Определение основных параметров гармонического колеб. движения по его графику
8. Чтение и интерполяция графиков зависимости кинематических величин (перемещения и скорости) от времени
По графику перемещения равномерно движущегося тела (см. рис.) определите: а) перемещение тела за 5 ч; б) скорость тела.
Билет№1
Механическое движение Относительность движения, Система отсчета, Материальная точка, Траектория. Путь и перемещение. Мгновенная скорость. Ускорение. Равномерное и равноускоренное движение
План ответа
1. Определение механического движения. 2. Основные понятия механики. 3. Кинематические характеристики. 4. Основные уравнения. 5. Виды движения. 6. Относительность движения.
Механическим движением называют изменение положения тела (или его частей) относительно других тел. Например, человек, едущий на эскалаторе в метро, находится в покое относительно самого эскалатора и перемещается относительно стен туннеля; гора Эльбрус находится в покое относительно Земли и движется вместе с Землей относительно Солнца.
Из этих примеров видно, что всегда надо указать тело, относительно которого рассматривается движение, его называют телом отсчета. Система координат, тело отсчета, с которым она связана, и выбранный способ измерения времени образуют систему отсчета. Рассмотрим два примера. Размеры орбитальной станции, находящейся на орбите около Земли, можно не учитывать, рассчитывая траекторию движения космического корабля при стыковке со станцией, без учета ее размеров не обойтись. Таким образом, иногда размерами тела по сравнению с расстоянием до него можно пренебречь, в этих случаях тело считают материальной точкой, Линию, вдоль которой движется материальная точка, называют траекторией. Длина части траектории между начальным и конечным положением точки называют путем (L). Единица измерения пути - 1м.
Механическое движение характеризуется тремя физическими величинами: перемещением, скоростью и ускорением.
Направленный отрезок прямой, проведенный из начального положения движущейся точки в ее конечное положение, называется перемещением (s), Перемещение - величина векторная Единица измерения перемещения-1м.
Скорость - векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела, численно равная отношению перемещения за малый промежуток времени к величине этого промежутка. Промежуток, времени считается достаточно малым, если скорость в течении этого промежутка не менялась. Например, при движении автомобиля t ~ 1 с, при движении элементарной частицы t ~ 10 с, при движении небесных тел t ~ 10 с. Определяющая формула скорости имеет вид v = s/t. Единица измерения скорости - м/с. На практике используют единицу измерения скорости км/ч (36 км/ч = 10 м/с). Измеряют скорость спидометром.
Ускорение - векторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения скорости, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло. Если скорость изменяется одинаково в течение всего времени движения, то ускорение можно рассчитать по формуле а = (v – v 0 ) /t. Единица измерения ускорения - м/с 2 .
Характеристики механического движения связаны между собой основными кинематическими уравнениями.
s = v 0t + at 2 / 2;
v = v 0 + at.
Предположим, что тело движется без ускорения (самолет на маршруте), его скорость в течение продолжительного времени не меняется, а = 0, тогда кинематические уравнения будут иметь вид: v = const, s = vt .
Движение, при котором скорость тела не меняется, т. е. тело за любые равные промежутки времени перемещается на одну и ту же величину, называют равномерным прямолинейным движением.
Во время старта скорость ракеты быстро возрастает, т. е. ускорение а > О, а == const.
В этом случае кинематические уравнения выглядят так: v = v 0 + at, s = V 0t + at 2 / 2.
При таком движении скорость и ускорение имеют одинаковые направления, причем скорость изменяется одинаково за любые равные промежутки времени. Этот вид движения называют равноускоренным.
При торможении автомобиля скорость уменьшается одинаково за любые равные промежутки времени, ускорение меньше нуля; так как скорость уменьшается, то уравнения принимают вид: v = v 0 + at, s = v 0t - at 2 / 2 . Такое движение называют равнозамедленным.
Все физические величины, характеризующие движение тела (скорость, ускорение, перемещение), а также вид траектории, могут изменяться при переходе из одной системы к другой, т. е. характер движения зависит от выбора системы отсчета, в этом и проявляется относительность движения. Например, в воздухе происходит дозаправка самолета топливом. В системе отсчета, связанной с самолетом, другой самолет находится в покое, а в системе отсчета, связанной с Землей, оба самолета находятся в движении. При движении велосипедиста точка колеса в системе отсчета, связанной с осью, имеет траекторию, представленную на рисунке 1.
Рис. 1 Рис. 2
В системе отсчета, связанной с Землей, вид траектории оказывается другим (рис. 2).
Билет №10
Кристаллические и аморфные тела. Упругие и пластические деформации твердых тел.
План ответа
1. Твердые тела. 2. Кристаллические тела. 3. Моно- и поликристаллы. 4. Аморфные тела. .5. Упругость. 6. Пластичность.
Каждый может легко разделить тела на твердые и жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево,уголь) - это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах - это аморфные. Третьи будут изменять свое состояние при нагревании так, как показано на графике (рис. 12). Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением. Кристаллические тела - это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решеткой. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.
Рис. 12
Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами. Монокристалл обладает единой кристаллической решеткой во всем объеме.
Анизотропия монокристаллов заключается в зависимости их физических свойств от направления. Поликристалл представляет собой соединение мелких, различным образом ориентированных монокристаллов (зерен) и не обладает анизотропией свойств.
Большинство твердых тел имеют поликристаллическое строение (минералы, сплавы, керамика).
Основными свойствами кристаллических тел являются: определенность температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от порядка расположения атомов, т. е. от типа кристаллической решетки.
Аморфными называют вещества, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны. Это значит, что свойства одинаковы по всем направлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует определенная температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. п.
У
пругость
- свойство тел
восстанавливать
свою форму и
объем после
прекращения
действия внешних
сил или других
причин, вызвавших
деформацию
тел. Для упругих
деформаций
справедлив
закон Гука,
согласно которому
упругие деформации
прямо пропорциональны
вызывающим
их внешним
воздействиям, где - механическое
напряжение,
- относительное удлинение, Е - модуль Юнга (модуль упругости). Упругость обусловлена взаимодействием и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.
Пластичность - свойство твердых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после того, как действие этих сил прекратится.
Билет № 11
Работа в термодинамике. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Применение первого закона к изопроцессам. Адиабатный процесс.
План ответа
1. Внутренняя энергия и ее измерение. 2. Работа в термодинамике. 3. Первый закон термодинамики. 4. Изопроцессы. 5. Адиабатный процесс.
Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия - это величина, характеризующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U=3/2 т/М RT .
Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существуют два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).
Теплопередача - это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты (Q).
Эти способы количественно объединены в закон сохранения энергии, который для тепловых процессов читается так. Изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы, внешних сил, совершенной над системой. U= Q + А, где U- изменение внутренней энергии, Q - количество теплоты, переданной системе, А - работа внешних сил. Если система сама совершает работу, то ее условно обозначают А". Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называется первым законом термодинамики, можно записать так: Q = Α" + U, т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы и изменение ее внутренней энергии.
При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами Α" = p (V 1 - V 2 ) = pΔV , где
V 1 , и V 2 - начальный и конечный объем газа. Если процесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигуры, заключенной между линией, выражающей зависимость p (V ) и начальным и конечным объемом газа (рис. 13).
Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам, происходящим с идеальным газом.
В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не меняется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: Q = А", т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется.
В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы: Q = U + А".
При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е., А = О, и уравнение первого закона имеет вид:
Q = U, т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.
Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой. Q = 0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следовательно, газ охлаждается, Α" = U. Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатой.
Билет № 12
Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда
План ответа
1. Электрический заряд. 2. Взаимодействие заряженных тел. 3. Закон сохранения электрического заряда. 4. Закон Кулона. 5. Диэлектрическая проницаемость. 6. Электрическая постоянная. 7. Направление кулоновских сил.
Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной - электрическим зарядом, который обозначается q . Единица измерения электрического заряда - кулон (Кл). 1 кулон - это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен е=1,6 10 -19 Кл.
Заряд тела всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда:q=e(N p -N e ) где N p - количество электронов, N e - количество протонов.
Полный заряд замкнутой системы(в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел остается постоянной: q 1 + q 2 + ...+q n = const. Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда. Никогда и нигде в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц - электронов - от одних тел к другим.
Электризация - это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.
В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка - положительный.
Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика.
Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном и читается так. Модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.
F = k q 1 q 2 / r 2 , где q 1 и q 2 - модули зарядов, r - расстояние между ними, k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц, в СИ k = 9 10 9 Н м 2 /Кл 2 . Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды ε . Для среды с диэлектрической проницаемостью ε закон Кулона записывается следующим образом: F= k q 1 q 2 /(ε r 2 )
Вместо коэффициента k часто используется коэффициент, называемый электрической постоянной ε 0 . Электрическая постоянная связана с коэффициентом k следующим образом k = 1/4π ε 0 и численно равна ε 0 =8,85 10 -12 Кл/Н м 2 .
С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:F=(1/4π ε 0 ) (q 1 q 2 /r 2 )
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим, или кулоновским, взаимодействием. Кулоновские силы можно изобразить графически (рис. 14, 15).
Кулоновская сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряженные тела. Она является силой притяжения при разных знаках зарядов и силой отталкивания при одинаковых знаках.
Билет № 14
Работа и мощность в цепи постоянного тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи
План ответа
1. Работа тока. 2. Закон Джоуля-Ленца 3. Электродвижущая сила. 4. Закон Ома для полной цепи.
В электрическом поле из формулы определения напряжения (U = A / q ) легко получить выражение для расчета работы переноса электрического заряда А = Uq , так как для тока заряд q = It , то работа тока: А = Ult , или А = I 2 R t = U 2 / R t .
Мощность, по определению, N = A / t , следовательно, N = UI = I 2 R = U 2 / R .
Русский ученый X. Ленц и английский ученый Джоуль опытным путем в середине прошлого века установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля-Ленца и читается так. При прохождении тока по проводнику количество теплоты, выделившейся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы, тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.
Q = I 2 Rt.
Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внешние сопротивления и источник тока (рис. 18). Как один из участков цепи, источник тока обладает сопротивлением, которое называют внутренним, г.
Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщалась дополнительная энергия, она берется за счет работы по перемещению зарядов, которую производят силы неэлектрического происхождения (сторонние силы) против сил электрического поля. Источник тока характеризуется энергетической характеристикой, которая называется ЭДС - электродвижущая сила источника. ЭДС - характеристика источника энергии неэлектрической природы в электрической цепи, необходимого для поддержания в ней электрического тока. ЭДС измеряется отношением работы сторонних сил по перемещению вдоль замкнутой цепи положительного заряда к этому заряду ξ= A ст /q
Пусть за время t через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд q. Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда можно записать так: A ст = ξ q. Согласно определению силы тока q = It , поэтому A ст = ξ I t. При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых R и г, выделяется некоторое количество теплоты. По закону Джоуля- Ленца оно равно: Q =I 2 Rt + I 2 rt . Согласно закону сохранения энергии А = Q. Следовательно, ξ = IR + Ir. Произведение силы тока на сопротивление участка цепи часто называют падением напряжения на этом участке. Таким образом, ЭДС равна сумме падений напряжений на внутреннем и внешнем участках замкнутой цепи. Обычно это выражение записывают так: I = ξ/(R + r ). Эту зависимость опытным путем получил Г. Ом, называется она законом Ома для полной цепи и читается так. Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. При разомкнутой цепи ЭДС равна напряжению на зажимах источника и, следовательно, может быть измерена вольтметром.
Билет № 15
Магнитное поле, условия его существования. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие. Магнитная индукция
План ответа
1. Опыты Эрстеда и Ампера. 2. Магнитное поле. 3. Магнитная индукция. 4. Закон Ампера.
В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее (рис. 19). В том же году французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают
взаимное притяжение, если ток течет по ним в одну сторону, и отталкивание, если токи текут в разные стороны (рис. 20). Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием. Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим образом:
всякий движущийся электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле - особый вид материи, который возникает в пространстве вокруг любого переменного электрического поля.
С современной точки зрения в природе существует совокупность двух полей - электрического и магнитного - это электромагнитное поле, оно представляет собой особый вид материи, т. е. существует объективно, независимо от нашего сознания. Магнитное поле всегда порождается переменным электрическим, и, наоборот, переменное электрическое поле всегда порождает переменное магнитное поле. Электрическое поле, вообще говоря, можно
рассматривать отдельно от магнитного, так как носителями его являются частицы - электроны и протоны. Магнитное поле без электрического не существует, так как носителей магнитного поля нет. Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике.
Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В). Магнитная индукция - это векторная физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. В = F / II . Единичный элемент тока - это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла. 1 Тл = 1 Н/А м.
Магнитная индукция всегда порождается в плоскости под углом 90° к электрическому полю. Вокруг проводника с током магнитное поле также существует в перпендикулярной проводнику плоскости.
Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии индукции, - это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление силовых линий находится по правилу буравчика. Если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий. Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 21).
ак установил Ампер, на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. Сила, действующая со стороны, магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока. длине проводника в магнитном поле и перпендикулярной составляющей вектора магнитной индукции. Это и есть формулировка закона Ампера, который записывается так: F a = ПВ sin α.
Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца показывали направление тока, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 22). В = В sin α.
Билет № 1 6
Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковые приборы
План ответа
1. Определение. 2. Собственная проводимость. 3. Донорная проводимость. 4. Акцепторная проводимость. 5. р-п переход. 6. Полупроводниковые приборы. 7. Применение полупроводников.
Полупроводники - это вещества, удельное сопротивление которых убывает с повышением температуры, наличия примесей, изменения освещенности. По этим свойствам они разительно отличаются от металлов. Обычно к полупроводникам относятся кристаллы, в которых для освобождения электрона требуется энергия не более 1,5 - 2 эВ. Типичными полупроводниками являются кристаллы германия и кремния, в которых атомы объединены ковалентной связью. Природа этой связи позволяет объяснить указанные выше характерные свойства. При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате пере-
ходов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда, называемого «дыркой». При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» - ток дырочной проводимости.
В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.
На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают до-норные и акцепторные. Донорная примесь - это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа. Например, для кремния с валентностью п = 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью п = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.
Акцепторная примесь - это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником p-типа. Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».
Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р-п перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и n-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в p-область, а «дырок» - наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечный во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».
р
-п
контакт полупроводников,
подобно вакуумному
диоду, обладает
односторонней
проводимостью:
если к р-области
подключить
«+» источника
тока, а к n-области
«-» источника
тока, то запирающий
слой разрушится
и р-п
контакт будет
проводить ток,
электроны из
области n-
пойдут в р-область,
а «дырки» из
p-области
в n-область
(рис. 23).
В первом случае
ток не равен
нулю, во втором
ток равен нулю.
Т. е., если к p-области
подключить
«-» источника,
а к n-области
- «+» источника
тока, то запирающий
слой расширится
и тока не будет.
В радиоэлектронике применяется также еще один полупроводниковый прибор: транзистор, который был изобретен в 1948 г. В основе триода лежит не один, а два р-п перехода. Основное применение транзистора - это использование его в качестве усилителя слабых сигналов по току и напряжению, а полупроводниковый диод применяется в качестве выпрямителя тока. После открытия транзистора наступил качественно новый этап развития электроники - микроэлектроники, поднявший на качественно иную ступень развитие электронной техники, систем связи, автоматики. Микроэлектроника занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения. Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных компонентов - транзисторов, диодов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе. В результате этого процесса на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов, до 3500. Размеры отдельных элементов микросхемы могут быть 2-5 мкм, погрешность при их нанесении не должна превышать 0,2 мкм. Микропроцессор современной ЭВМ, размещенный на кристалле кремния размером 6х6 мм, содержит несколько десятков или даже сотен тысяч транзисторов.
Однако в технике применяются также полупроводниковые приборы без р-п перехода. Например, терморезисторы (для измерения температуры), фоторезисторы (в фотореле, аварийных выключателях, в дистанционных управлениях телевизорами и видеомагнитофонами).
Билет № 1 7
Электромагнитная индукция. Магнитный поток.
Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца
План ответа
1. Опыты по электромагнитной индукции. 2. Магнитный поток. 3. Закон электромагнитной индукции. 4. Правило Ленца.
вление электромагнитной индукции было открыто Майклом Фарадеем в 1831 г. Он опытным путем установил, что при изменении магнитного поля внутри замкнутого контура в нем возникает электрический ток, который называют индукционным током. Опыты Фарадея можно воспроизвести следующим образом: при внесении или вынесении магнита в катушку, замкнутую на гальванометр, в катушке возникает индукционный ток (рис. 24). Если рядом расположить две катушки (например, на общем сердечнике или одну катушку внутри другой) и
одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток (рис. 25). Объяснение этого явления было дано Максвеллом. Любое переменное магнитное поле всегда порождает переменное электрическое поле.
Для количественной характеристики процесса изменения магнитного поля через замкнутый контур вводится физическая величина под названием магнитный поток. Магнитным потоком через замкнутый контур площадью S называют физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции В на площадь контура S и на косинус угла а между направлением вектора магнитной индукции и нормалью к площади контура. Ф = BS cos α (рис. 26).
пытным путем был установлен основной закон электромагнитной индукции: ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по величине скорости из-менения магнитного потока через контур. ξ = ΔФ/t..Если рассматривать катушку, содержащую п витков, то формула основного закона электромагнитной индукции будет выглядеть так: ξ = n ΔФ/t.
Единица измерения магнитного потока Ф - вебер (Вб): 1В6 =1Β c.
Из основного закона ΔФ =ξ t следует смысл размерности: 1 вебер - это величина такого магнитного потока, который, уменьшаясь до нуля за одну секунду, через замкнутый контур наводит в нем ЭДС индукции 1 В.
Классической демонстрацией основного закона электромагнитной индукции является первый опыт Фарадея: чем быстрее перемещать магнит через витки катушки, тем больше возникает индукционный ток в ней, а значит, и ЭДС индукции.
ависимость направления индукционного тока от характера изменения магнитного поля через замкнутый контур в 1833 г. опытным путем установил русский ученый Ленц. Он сформулировал правило, носящее его имя. Индукционный ток имеет такое направление, при котором его магнитное поле стремится скомпенсировать изменение внешнего магнитного потока через контур. Ленцем был сконструирован прибор, представляющий собой два алюминиевых кольца, сплошное и разрезанное, укрепленные на алюминиевой перекладине и имеющие возможность вращаться вокруг оси, как коромысло. (рис. 27). При внесении магнита в сплошное кольцо оно начинало «убегать» от магнита, поворачивая соответственно коромысло. При вынесении магнита из кольца кольцо стремилось «догнать» магнит. При движении магнита внутри разрезанного кольца никакого эффекта не происходило. Ленц объяснял опыт тем, что магнитное поле индукционного тока стремилось компенсировать изменение внешнего магнитного потока.
Билет № 18
Явление самоиндукции. Индуктивность. Электромагнитное поле
План ответа
1. Опыты по самоиндукции. 2. ЭДС самоиндукции. 3. Индуктивность. 4. Энергия магнитного поля.
вление самоиндукции заключается в появлении ЭДС индукции в самом проводнике при изменении тока в нем. Примером явления самоиндукции является опыт с двумя лампочками, подключенными параллельно через ключ к источнику тока, одна из которых подключается через катушку (рис. 28). При замыкании ключа лампочка 2, включенная через катушку, загорается позже лампочки 1. Это происходит потому, что после замыкания ключа ток достигает максимального значения не сразу, магнитное поле нарастающего тока породит в катушке индукционную ЭДС, которая в соответствии с правилом Ленца будет мешать нарастанию тока.
Для самоиндукции выполняется установленный опытным путем закон: ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения тока в проводнике.ξ = L ΔI / t .
Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью. Индуктивность - это величина, равная ЭДС самоиндукции при скорости изменения тока в проводнике 1 А/с. Индуктивность измеряется в генри (Гн). 1 Гн = 1 Вс/А.
1 генри - это индуктивность такого проводника, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт при скорости изменения тока 1 А/с. Индуктивность характеризует магнитные свойства электрической цепи (проводника), зависит от магнитной проницаемости среды сердечника, размеров и формы катушки и числа витков в ней.
При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа, включенная параллельно катушке, дает кратковременную вспышку (рис. 29). Ток в цепи возникает под действием ЭДС самоиндукции. Источником энергии, выделяющейся при этом в электрической цепи, является магнитное поле катушки. Энергия магнитного поля находится по формуле
W m == LI 2 /2.
Энергия магнитного поля зависит от индуктивности проводника и силы тока в нем. Эта энергия может переходить в энергию электрического поля. Вихревое электрическое поле порождается переменным магнитным полем, а переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, т. е. переменные электрическое и магнитное поля не могут существовать друг без друга. Их взаимосвязь позволяет сделать вывод о существовании единого электромагнитного поля. Электромагнитное поле, одно из основных физических полей, посредством которого осуществляется взаимодействие электрически заряженных частиц или частиц, обладающих магнитным моментом. Электромагнитное поле характеризуется напряженностью электрического поля и магнитной индукцией. Связь между этими величинами и распределением в пространстве электрических зарядов и токов была установлена в 60-х годах прошлого столетия Дж. Максвеллом. Эта связь носит название основных уравнений электродинамики, которые описывают электромагнитные явления в различных средах и в вакууме. Получены эти уравнения как обобщение установленных на опыте законов электрических и магнитных явлений.
Билет № 19
Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур и превращение энергии при электромагнитных колебаниях. Частота и период колебаний
План ответа
1. Определение. 2.Колебательный контур 3. Формула Томпсона.
Электромагнитные колебания - это колебания электрических и магнитных полей, которые сопровождаются периодическим изменением заряда, тока и напряжения. Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать электромагнитные колебания, является колебательный контур. Колебательный контур - это система, состоящая из катушки индуктивности и конденсатора (рис. 30, а). Если конденсатор зарядить и замкнуть на катушку, то по катушке потечет ток (рис. 30, б). Когда конденсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоиндукции в катушке. Индукционный ток, в соответствии с правилом Ленца, будет течь в ту же сторону и перезарядит конденсатор (рис. 30, в). Ток в данном направлении прекратится, и процесс повторится в обратном направлении (рис. 30, г). Таким образом, в колебательном контуре будут происходить электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора (W э = = CU 2 /2) в энергию магнитного поля катушки с током (w m = LI 2 /2) и наоборот.
Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре (т. е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томпсона Т = 2π√ LC . Частота с периодом связана обратно пропорциональной зависимостью ν = 1/Т.
В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания будут затухающими из-за потерь энергии на нагревание проводов. Для практического применения важно получить незатухающие электромагнитные колебания, а для этого необходимо колебательный контур пополнять электроэнергией, чтобы скомпенсировать потери энергии. Для получения незатухающих электромагнитных колебаний применяют генератор незатухающих колебаний, который является примером автоколебательной системы.
Билет №2
Взаимодействие тел. Сила. Второй закон Ньютона
План ответа
Взаимодействие тел. 2. Виды взаимодействия. 3. Сила. 4. Силы в механике.
Простые наблюдения и опыты, например с тележками (рис. 3), приводят к следующим качественным заключениям: а) тело, на которое другие тела не действуют, сохраняет свою скорость неизменной;
б) ускорение тела возникает под действием других тел, но зависит и от самого тела; в) действия тел друг на друга всегда носят характер взаимодействия. Эти выводы подтверждаются при наблюдении явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчета.
Взаимодействия отличаются друг от друга и количественно, и качественно. Например, ясно, что чем больше деформируется пружина, тем больше взаимодействие ее витков. Или, чем ближе два одноименных заряда, тем сильнее они будут притягиваться. В простейших случаях взаимодействия количественной характеристикой является сила. Сила - причина ускорения тел по отношению к инерциальной системе отсчета или их деформации. Сила - это
векторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимодействии. Сила характеризуется: а) модулем; б) точкой приложения; в) направлением.
Единица измерения силы - ньютон. 1 ньютон - это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с в направлении действия этой силы, если другие тела на него не действуют. Равнодействующей нескольких сил называют силу, действие которой эквивалентно действию тех сил, которые она заменяет. Равнодействующая является векторной суммой всех сил, приложенных к телу.
R=F1+F2+...+Fn,.
Качественно по своим свойствам взаимодействия также различны. Например, электрическое и магнитное взаимодействия связаны с наличием зарядов у частиц либо с движением заряженных частиц. Наиболее просто рассчитать силы в электродинамике: сила Ампера - F = IlBsina, сила Лоренца - F=qv Bsin a., кулоновская сила - F = q 1 q 2 /r 2 ; и гравитационные силы: закон всемирного тяготения-F = Gm 1 m 2 /r 2 . Такие механические силы, как
сила упругости и сила трения, возникают в результате электромагнитного взаимодействия. Для их расчета необходимо использовать формулы: .Fynp = -kx (закон Гука), Fтр = MN - сила трения.
На основании опытных данных были сформулированы законы Ньютона. Второй закон Ньютона. Ускорение, с которым движется тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействующая сила: а = F/m.
Для решения задач закон часто записывают в виде: F = та.
Билет № 20
Электромагнитные волны и
их свойства. Принципы радиосвязи и
примеры их практического
использования
План ответа
1. Определение. 2. Условие возникновения. 3. Свойства электромагнитных волн. 4. Открытый колебательный контур. 5. Модуляция и детектирование.
Английский ученый Джеймс Максвелл на основании изучения экспериментальных работ Фарадея по электричеству высказал гипотезу о существовании в природе особых волн, способных распространяться в вакууме.
Эти волны Максвелл назвал электромагнитными волнами. По представлениям Максвелла: при любом изменении электрического поля возникает вихревое магнитное поле и, наоборот, при любом изменении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Однажды начавшийся процесс взаимного порождения магнитного и электрического полей должен непрерывно продолжаться и захватывать все новые и новые области в окружающем пространстве (рис. 31). Процесс взаимопорождения электрических и магнитных полей происходит во взаимно перпендикулярных плоскостях. Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое поле.
Электрические и магнитные поля могут существовать не только в веществе, но и в вакууме. Поэтому должно быть возможным распространение электромагнитных волн в вакууме.
Условием возникновения электромагнитных волн является ускоренное движение электрических зарядов. Так, изменение магнитного поля происходит при изменении тока в проводнике, а изменение тока происходит при изменении скорости зарядов, т. е. при движении их с ускорением. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме по расчетам Максвелла должна быть приблизительно равна 300 000 км/с.
Впервые опытным путем получил электромагнитные волны физик Генрих Герц, использовав приэтом высокочастотный искровой разрядник (вибратор Герца). Герц опытным путем определил также скорость электромагнитных волн. Она совпала с теоретическим определением скорости волн Максвеллом. Простейшие электромагнитные волны - это волны, в которых электрическое и магнитное поля совершают синхронные гармонические колебания.
Конечно, электромагнитные волны обладают всеми основными свойствами волн.
Они подчиняются закону отражения волн:
угол падения равен углу отражения. При переходе из одной среды в другую преломляются и подчиняются закону преломления волн: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для двух данных сред и равная отношению скорости электромагнитных волн в первой среде к скорости электромагнитных волн во второй среде и называется показателем преломления второй среды относительно первой.
вление дифракции электромагнитных волн, т. е. отклонение направления их распространения от прямолинейного, наблюдается у края преграды или при прохождении через отверстие. Электромагнитные волны способны к интерференции. Интерференция - это способность когерентных волн к наложению, в результате чего волны в одних местах друг друга усиливают, а в других местах - гасят. (Когерентные волны - это волны, одинаковые по частоте и фазе колебания.) Электромагнитные волны обладают дисперсией, т. е. когда показатель преломления среды для электромагнитных волн зависит от их частоты. Опыты с пропусканием электромагнитных волн через систему из двух решеток показывают, что эти волны являются поперечными.
При распространении электромагнитной волны векторы напряженности Е и магнитной индукции В перпендикулярны направлению распространения волны и взаимно перпендикулярны между собой (рис. 32).
Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. русский физик А. Попов. Этот день считается днем рождения радио. Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн. Если электромагнитные волны возникают в контуре из катушки и конденсатора, то переменное магнитное поле оказывается связанным с катушкой, а переменное электрическое поле - сосредоточенным между пластинами конденсатора. Такой контур называется закрытым (рис. 33, а). Закрытый колебательный контур практически не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, то под чем большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство (рис. 33, б). Предельным случаем раскрытого колебательного контура является удаление пластин на противоположные концы катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром (рис. 33, в). В действительности контур состоит из катушки и длинного провода - антенны.
Энергия излучаемых (при помощи генератора незатухающих колебаний) электромагнитных колебаний при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность электромагнитных колебаний ничтожно мала. Поэтому для осуществления радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен мегагерц.
При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс - детектирование. При радиоприеме из принятого антенной приемника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые низкочастотные колебания.
С помощью радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предмета. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.)
Билет № 21
Волновые свойства света. Электромагнитная теория света
План ответа
1. Законы преломления и отражения света. 2. Интерференция и ее применение. 3. Дифракция. 4. Дисперсия. 5. Поляризация. 6. Корпускулярно-волновой дуализм.
Свет - это электромагнитные волны в интервале частот 63 10 14 - 8 10 14 Гц, воспринимаемых человеческим глазом, т. е. длин волн в интервале 380 - 770 нм.
Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде скорость убывает.
Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина). Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны. Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее. На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волны (рис. 34). Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути. При разности хода I, кратной целому числу длин волн l = 2 k λ/2.
При разности хода, кратной нечетному числу полуволн l = (2 k + 1) λ/2, наблюдается интерференционный минимум. Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн. Поэтому освещенная белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной. Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей просветления оптики. При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то получается картина из чередующихся светлых и темных полос.
Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении у края преграды называют дифракцией света. Дифракция объясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклонения из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой. Дифракция света используется в спектральных приборах, основным элементом в которых является дифракционная решетка. Дифракционная решетка представляет собой прозрачную пластинку с нанесенной на ней системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.
усть на решетку (рис. 35) падает монохроматический (определенной длины волны) свет. В результате дифракции на каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении,
но и по всем другим направлениям. Если за решеткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну полоску.
Параллельные лучи, идущие от краев соседних щелей, имеют разность хода l = d sin φ, где d - постоянная решетки - расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое периодом решетки, (φ - угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решетки. При разности хода, равной целому числу длин волн d sin φ = k λ, наблюдается интерференционный максимум для данной длины волны. Условие интерференционного максимума выполняется для каждой длины волны при своем значении дифракционного угла φ. В результате при прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр. Угол дифракции имеет наибольшее значение для красного света, так как длина волны красного света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значение угла дифракции для фиолетового света.
Опыт показывает, что интенсивность светового пучка, проходящего через некоторые кристаллы, например, исландского шпата, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления.
Если же второй кристалл повернут на 90°, то свет через него не проходит. Происходит явление поляризации, т. е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряженности электрического поля совершаются в одной плоскости, плоскости поляризации. Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.
Узкий параллельный пучок белого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета, при этом наибольшее отклонение к основанию призмы имеют лучи фиолетового цвета. Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, а показатель преломления света зависит от длины его волны. Показатель преломления связан со скоростью света в среде, следовательно, скорость света в среде зависит от длины волны. Это явление и называют дисперсией света.
На основании совпадения экспериментально измеренного значения скорости электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что свет - это электромагнитная волна. Эта гипотеза подтверждена свойствами, которыми обладает свет.
Билет №22
Опыты Резерфорда по рассеянию α-частиц. Ядерная модель атома
План ответа
1. Опыты Резерфорда. 2. Ядерная модель атома.
Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопилось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.
Большие успехи в исследовании строения атомов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда по рассеянию а- частиц при прохождении через тонкие слои вещества. В этих опытах узкий пучок α -частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обнаружено, что большинство α -частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые α -частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние α -частиц Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд не распределен равномерно в шаре радиусом 10 -10 м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома - атомном ядре. При прохождении около ядра α -частица, имеющая положительный заряд, отталкивается от него, а при попадании в ядро - отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует центральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10 -15 μ.
Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вращаются электроны (как планеты вокруг Солнца). Заряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.
Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов:
электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом - это устойчивая система; при движении по круговой орбите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр, на практике же получается иное:
электроны атомов излучают свет, имеющий линейчатый спектр. Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.
Билет №2 3
Квантовые постулаты Бора. Испускание и поглощение света атомами. Спектральный анализ
План ответа
1. Первый постулат. 2. Второй постулат. 3. Виды спектров.
В основу своей теории Бор положил два постулата. Первый постулат: атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.
Это означает, что электрон (например, в атоме водорода) может находиться на нескольких вполне определенных орбитах. Каждой орбите электрона соответствует вполне определенная энергия.
Второй постулат: при переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях: hv = Е m – Ε n ; h = 6,62 10 -34 Дж с, где h - постоянная Планка.
При переходе электрона с ближней орбиты на более удаленную, атомная система поглощает квант энергии. При переходе с более удаленной орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии.
Теория Бора позволила объяснить существование линейчатых спектров.
Спектр излучения (или поглощения) - это набор волн определенных частот, которые излучает (или поглощает) атом данного вещества.
Спектры бывают сплошные, линейчатые и полосатые.
Сплошные спектры излучают все вещества, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всех частот видимого света и поэтому выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в таком порядке: Красный, Оранжевый, Желтый, Зеленый, Синий и Фиолетовый (Каждый Охотник Желает Знать, где Сидит Фазан).
Линейчатые спектры излучают все вещества в атомарном состоянии. Атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определенных частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только ему спектр. Линейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделенные промежутками. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т. е. электрон в атоме может переходить только с одних определенных орбит на другие, вполне определенные орбиты для данного химического вещества.
Полосатые спектры излучаются молекулами. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдаются отдельные серии линий, воспринимаемые как отдельные полосы.
Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и поглощается, т. е. спектры излучения по набору излучаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует способ определения химического состава вещества методом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава звезд, атмосфер, планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.
Билет №2 4
Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и постоянная Планка. Применение фотоэффекта в технике
Плав ответа
1. Гипотеза Планка. 2. Определение фотоэффекта. 3. Законы фотоэффекта. 4. Уравнение Эйнштейна. 5. Применение фотоэффекта.
В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями - квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hν , где h - постоянная Планка, равная 6,63 10 -34 Дж с, ν - частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским ученым А. Г. Столетовым.
Фотоэффект - это явление испускания электронов веществом под действием света.
В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта.
1. Сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и зависит от его интенсивности.
3. Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не происходит.
Зависимость фототока от напряжения показана на рисунке 36.
Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию hv . При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (А вых). Работа выхода - это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид: m v 2 /2 = hv - А вых, Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.
Если h ν А вых то фотоэффект не происходит. Значит, красная граница фотоэффекта равна ν min = А вых /h
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.
Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока.Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.
С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.
Билет №2 5
Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома. Цепная ядерная реакция, условия ее осуществления. Термоядерные реакции
План ответа
1. Открытие нейтрона. 2. Состав ядра атома. 3. Изотопы. 4. Дефект массы. 5. Энергия связи атомного ядра. 6. Ядерные реакции. 7. Цепная ядерная реакция. 8. Термоядерные реакции.
В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик открыл частицы с нулевым электрическим зарядом и единичной массой. Эти частицы назвали нейтронами. Обозначается нейтрон п. После открытия нейтрона физики Д. Д. Иваненко и Вернер Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Общее название протонов и нейтронов - нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. Например, ядро атома кислорода 16 8 O состоит из 8 протонов и 16 - 8 = 8 нейтронов. Ядро атома 235 92 U состоит из 92 протонов и 235 - 92 = 143 нейтронов.
Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изото-пов отличаются числом нейтронов. Например, водород имеет три изотопа: протий - ядро состоит из одного протона, дейтерий - ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий - ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.
Если сравнить массы ядер с массами нуклонов, то окажется, что масса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, существует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы. М = Μ я - (M p + Μ n).
Так как между массой и энергией существует связь Е = mc 2 , то при делении тяжелых ядер и при синтезе легких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия называется энергией связи атомного ядра. Е св = Мс 2 .
Выделение этой энергии может происходить при ядерных реакциях.
Ядерная реакция - это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при взаимодействии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции.
Цепная реакция деления - это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k > 1, где k -- коэффициент размножения нейтронов, т. е. отношение числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Способностью к цепной ядерной реакции обладает изотоп урана 235 U. При наличии определенных критических параметров (критическая масса - 50 кг, шаровая форма радиусом 9 см) три нейтрона, выделившиеся при делении первого ядра попадают в три соседних, ядра и т. д. Процесс идет в виде цепной реакции, которая протекает за доли секунды в виде ядерного взрыва. Неуправляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цепной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова.
Термоядерные реакции - это реакции синтеза легких ядер, происходящие при высокой температуре (примерно 10 7 К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция осуществлена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией.
Билет3
Импульс тела. Закон сохранения импульса в природе и технике
План ответа
1. Импульс тела. 2. Закон сохранения импульса. 3. Применение закона сохранения импульса. 4. Реактивное движение.
Простые наблюдения и опыты доказывают, что покой и движение относительны, скорость тела зависит от выбора системы отсчета; по второму закону Ньютона, независимо от того, находилось ли тело в покое или двигалось, изменение скорости его движения может происходить только при действии силы, т. е. в результате взаимодействия с другими телами. Однако существуют величины, которые могут сохраняться при взаимодействии тел. Такими величинами являются энергия и импульс.
Импульсом тела называют векторную физическую величину, являющуюся количественной характеристикой поступательного движения тел. Импульс обозначается р. Единица измерения импульса Р - кг м/с. Импульс тела равен произведению массы тела на его скорость: р = mv. Направление вектора импульса р совпадает с направлением вектора скорости тела v (рис. 4).
Для импульса тел выполняется закон сохранения, который справедлив только для замкнутых физических систем. В общем случае замкнутой называют систему, которая не обменивается энергией и массой с телами и полями, не входящими в нее. В механике замкнутой называют систему, на которую не действуют внешние силы или действие этих сил скомпенсировано. В этом случае р 1 = р 2 где р 1 - начальный импульс системы, а р 2 - конечный. В случае двух тел, входящих в систему, это выражение имеет вид m 1 v 1 + т 2 v 2 = m 1 v 1 " + т 2 v 2 " где т 1 и т 2 - массы тел, а v 1 и v 2 , - скорости до взаимодействия, v 1 " иv 2 " - скорости после взаимодействия. Эта формула и является математическим выражением закона сохранения импульса: импульс замкнутой физической системы сохраняется при любых взаимодействиях, происходящих внутри этой системы.
Другими словами: в замкнутой физической системе геометрическая сумма импульсов тел до взаимодей ствия равна геометрической сумме импульсов этих тел после взаимодействия. В случае незамкнутой системы импульс тел системы не сохраняется. Однако, если в системе существует направление, по которому внешние силы не действуют или их действие скомпенсировано, то сохраняется проекция импульса на это направление. Кроме того, если время взаимодействия мало (выстрел, взрыв, удар), то за это время даже в случае незамкнутой системы внешние силы незначительно изменяют импульсы взаимодействующих тел. Поэтому для практических расчетов в этом случае тоже можно применять закон сохранения импульса.
Экспериментальные исследования взаимодействий различных тел - от планет и звезд до атомов и элементарных частиц - показали, что в любой системе взаимодействующих тел при отсутствии действия со стороны других тел, не входящих в систему или равенстве нулю суммы действующих сил, геометрическая сумма импульсов тел действительно остается неизменной.
В механике закон сохранения импульса и законы Ньютона связаны между собой. Если на тело массой т в течение времени t действует сила и скорость его движения изменяется от v 0 до v, то ускорение движения a тела равно a = (v - v 0 )/t. На основании второго закона Ньютона для силы F можно записать F = та = m(v - v 0 )/t, отсюда следует Ft = mv - mv 0 .
Ft - векторная физическая величина, характеризующая действие на тело силы за некоторый промежуток времени и равная произведению силы на время t ее действия, называется импульсом силы.
Единица импульса в СИ - Н с.
Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения. Реактивное движение - это такое движение тела, которое возникает после отделения от тела его части.
Пусть тело массой т покоилось. От тела отделилась какая-то его часть т 1 со скоростью v 1 . Тогда
оставшаяся часть придет в движение в противоположную сторону со скоростью v 2 , масса оставшейся части т 2 Действительно, сумма импульсов обоих частей тела до отделения была равна нулю и после разделения будет равна нулю:
т 1 v 1 +m 2 v 2 = 0, отсюда v 1 = -m 2 v 2 /m 1 .
Большая заслуга в развитии теории реактивного движения принадлежит К. Э. Циолковскому.
Он разработал теорию полета тела переменной массы (ракеты) в однородном поле тяготения и рассчитал запасы топлива, необходимые для преодоления силы земного притяжения; основы теории жидкостного реактивного двигателя, а так же элементы его конструкции; теорию многоступенчатых ракет, причем предложил два варианта: параллельный (несколько реактивных двигателей работают одновременно) и последовательный (реактивные двигатели работают друг за другом). К. Э. Циолковский строго научно доказал возможность полета в космос с помощью ракет с жидкостным реактивным двигателем, предложил специальные траектории посадки космических аппаратов на Землю, выдвинул идею создания межпланетных орбитальных станций и подробно рассмотрел условия жизни и жизнеобеспечения на них. Технические идеи Циолковского находят применение при создании современной ракетно-космической техники. Движение с помощью реактивной струи, по закону сохранения импульса, лежит в основе гидрореактивного двигателя. В основе движения многих морских моллюсков (осьминогов, медуз, кальмаров, каракатиц) также лежит реактивный принцип.
Билет№ 4
Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела. Невесомость
План ответа
1. Силы гравитации. 2. Закон всемирного тяготения. 3. Физический смысл гравитационной постоянной. 4. Сила тяжести. 5. Вес тела, перегрузки. 6. Невесомость.
Исаак Ньютон выдвинул предположение, что между любыми телами в природе существуют силы взаимного притяжения. Эти силы называют силами гравитации, или силами всемирного тяготения. Сила всемирного тяготения проявляется в Космосе, Солнечной системе и на Земле. Ньютон обобщил законы движения небесных тел и выяснил, что F = G(m 1 *m 2 )/R 2 , где G - коэффициент пропорциональности, называется гравитационной постоянной. Численное значение гравитационной постоянной опытным путем определил Кавендиш, измеряя силу взаимодействия между свинцовыми шарами. В результате закон всемирного тяготения звучит так: между любыми материальными точками существует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния между ними, действующая по линии, соединяющей эти точки.
Физический смысл гравитационной постоянной вытекает из закона всемирного тяготения. Если m 1 = m 2 = 1 кг, R = 1 м, то G = F, т. е. гравитационная постоянная равна силе, с которой притягиваются два тела по 1 кг на расстоянии 1 м. Численное значение: G = 6,67 10 -11 Н м 2 /кг 2 . Силы всемирного тяготения действуют между любыми телами в природе, но ощутимыми они становятся при больших массах (или хотя бы масса одного из тел велика). Закон же всемирного тяготения выполняется только для материальных точек и шаров (в этом случае за расстояние принимается расстояние между центрами шаров).
астным видом силы всемирного тяготения является сила притяжения тел к Земле (или к другой планете). Эту силу называют силой тяжести. Под действием этой силы все тела приобретают ускорение свободного падения. В соответствии со вторым законом Ньютона g = f т /m, следовательно, f т = mg. Сила тяжести всегда направлена к центру Земли. В зависимости от высоты h над поверхностью Земли и географической широты положения тела ускорение свободного падения приобретает различные значения. На поверхности Земли и в средних широтах ускорение свободного падения равно 9,831 м/с 2 .В технике и быту широко используется понятие веса тела. Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору или подвес в результате гравитационного притяжения к планете (рис. 5). Вес тела обозначается Р. Единица измерения веса - 1 Н. Так как вес равен силе, с которой тело действует на опору, то в соответствии с третьим законом Ньютона по величине вес тела равен силе реакции опоры. Поэтому, чтобы найти вес тела, необходимо найти, чему равна сила реакции опоры.
Рассмотрим случай, когда тело вместе с опорой не движется. В этом случае сила реакции опоры, а следовательно, и вес тела равен силе тяжести (рис. 6):р = N = mg.
В случае движения тела вертикально вверх вместе с опорой с ускорением, по второму закону Ньютона, можно записать mg + N = та (рис. 7, а).В проекции на ось OX: -mg + N = та, отсюда N = m(g + а ).
Следовательно, при движении вертикально вверх с ускорением вес тела увеличивается и находится по формуле Р = m(g + а).
Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой. Действие перегрузки испытывают на себе космонавты как при взлете космической ракеты, так и при торможении корабля при входе в плотные слои атмосферы. Испытывают перегрузки и летчики при выполнении фигур высшего пилотажа, и водители автомобилей при резком торможении.
Если тело движется Вниз по вертикали, то с помощью аналогичных рассуждений получаем mg +
+N = та; mg -N = та; N = m(g -а); Р = m(g - а), т. е. вес при движении по вертикали с ускорением будет меньше силы тяжести.
Если тело свободно падает, в этом случае Р = (g - g)m = 0.
Состояние тела, в котором его вес равен нулю, называют невесомостью. Состояние невесомости наблюдается в самолете или космическом корабле при движении с ускорением свободного падения независимо от направления и значения скорости их движения. За пределами земной атмосферы при выключении реактивных двигателей на космический корабль действует только сила всемирного тяготения. Под действием этой силы космический корабль и все тела, находящиеся в нем, движутся с одинаковым ускорением, поэтому в корабле наблюдается состояние невесомости.
Билет5
Превращение энергии при механических колебаниях. Свободные и вынужденные колебания. Резонанс
План ответа
1. Определение колебательного движения. 2. Свободные колебания. 3. Превращения энергии. 4. Вынужденные колебания.
М
еханическими
колебаниями
называют движения
тела, повторяющиеся
точно или
приблизительно
через одинаковые
промежутки
времени. Основными
характеристиками
механических
колебаний
являются: смещение,
амплитуда,
частота, период.
Смещение
-
это отклонение
от положения
равновесия.
Амплитуда
-
модуль максимального
отклонения
от положения
равновесия.
Частота
- число
полных колебаний,
совершаемых
в единицу времени.
Период
- время
одного полного
колебания, т.
е. минимальный
промежуток
времени, через
который происходит
повторение
процесса. Период
и частота связаны
соотношением:
v
= 1/T.
Простейший вид колебательного движения - гармонические колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса (рис. 8).
С
вободными
- называют
колебания,
которые совершаются
за счет первоначально
сообщенной
энергии при
последующем
отсутствии
внешних воздействий
на систему,
совершающую
колебания.
Например,
колебания груза
на нити (рис.
9).
Рассмотрим процесс превращения энергии на примере колебаний груза на нити (см. рис. 9).
При отклонении маятника от положения равновесия он поднимается на высоту h относительно нулевого уровня, следовательно, в точке А маятник обладает потенциальной энергией mgh. При движении к положению равновесия, к точке О, уменьшается высота до нуля, а скорость груза увеличивается, и в точке О вся потенциальная энергия mgh превратится в кинетическую энергию mv г /2. В положении равновесия кинетическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная энергия минимальна. После прохождения положения равновесия происходит превращение кинетической энергии в потенциальную, скорость маятника уменьшается и при максимальном отклонении от положения равновесия становится равной нулю. При колебательном движении всегда происходят периодические превращения его кинетической и потенциальной энергий.
При свободных механических колебаниях неизбежно происходит потеря энергии на преодоление сил сопротивления. Если колебания происходят под действием периодически действующей внешней силы, то такие колебания называют вынужденными. Например, родители раскачивают ребенка на качелях, поршень движется в цилиндре двигателя автомобиля, колеблются нож электробритвы и игла швейной машины. Характер вынужденных колебаний зависит от характера действия внешней силы, от ее величины, направления, частоты действия и не зависит от размеров и свойств колеблющегося тела. Например, фундамент мотора, на котором он закреплен, совершает вынужденные колебания с частотой, определяемой только числом оборотов мотора, и не зависит от размеров фундамента.
При совпадении частоты внешней силы и частоты собственных колебаний тела амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает. Такое явление называют механическим резонансом. Графически зависимость вынужденных колебаний от частоты действия внешней силы показана на рисунке 10.
Явление резонанса может быть причиной разрушения машин, зданий, мостов, если собственные их частоты совпадают с частотой периодически действующей силы. Поэтому, например, двигатели в автомобилях устанавливают на специальных амортизаторах, а воинским подразделениям при движении по мосту запрещается идти «в ногу».При отсутствии трения амплитуда вынужденных колебаний при резонансе должна возрастать со временем неограниченно. В реальных системах амплитуда в установившемся режиме резонанса определяется условием потерь энергии в течение периода и работы внешней силы за то же время. Чем меньше трение, тем больше амплитуда при резонансе.
Билет №6
Опытное обоснование основных положений МКТ строения вещества. Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро
План ответа
1. Основные положения. 2. Опытные доказательства. 3. Микрохарактеристики вещества.
Молекулярно-кинетическая теория - это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов, как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:
1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.
2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температуру вещества.
3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними.
Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей
смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии - способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого - тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавле-ния или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение - непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.
Движение броуновских частиц объясняется хаотическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путем было доказано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости. Теорию броуновского движения разработал А. Эйнштейн. Законы движения частиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсивности броуновского движения - уменьшение температуры. Существование броуновского движения убедительно подтверждает движение молекул.
Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц, т. е. структурных элементов, содержащихся в теле, v.
Единицей количества вещества является моль. Моль - это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода С 12 . Отношение числа молекул вещества к количеству вещества называют постоянной Авогадро:
n a = N/v . na = 6,02 10 23 моль -1 .
Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества. Молярной массой называют величину, равную отношению массы вещества к количеству вещества:
М = m/v .
Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:
m 0 = m/N = m/vN A = М/N A
Средняя масса молекул обычно определяется химическими методами, постоянная Авогадро с высокой точностью определена несколькими физическими методами. Массы молекул и атомов со значительной степенью точности определяются с помощью масс-спектрографа.
Массы молекул очень малы. Например, масса молекулы воды: т = 29,9 10 -27 кг.
Молярная масса связана с относительной молекулярной массой Mr. Относительная молярная масса - это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода С 12 . Если известна химическая формула вещества, то с помощью таблицы Менделеева может быть определена его относительная масса, которая, будучи выражена в килограммах, показывает величину молярной массы этого вещества.
Билет №7
Идеальный газ. Основное уравнение МКТ идеального газа. Температура и ее измерение. Абсолютная температура
План ответа
1. Понятие идеального газа, свойства. 2. Объяснение давления газа. 3. Необходимость измерения температуры. 4. Физический смысл температуры. 5. Температурные шкалы. 6. Абсолютная температура.
Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. Идеальным принято считать газ, если:
а) между молекулами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела;
б) газ очень разряжен, т. е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул;
в) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно. Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрел свойства идеального, осуществляются при соответствующем разряжении реального газа. Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении слабо отличаются от идеальных.
Основными параметрами идеального газа являются давление, объем и температура.
Одним из первых и важных успехов МКТ было качественное и количественное объяснение давления газа на стенки сосуда. Качественное объяснение заключается в том, что молекулы газа при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела и передают свои импульсы стенкам сосуда.
На основании использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено основное уравнение МКТ идеального газа, которое выглядит так: р = 1/3 т 0 пv 2 .
Здесь р - давление идеального газа, m 0 -
масса молекулы, п - концентрация молекул, v 2 - средний квадрат скорости молекул.
Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа Е k получим основное уравнение МКТ идеального газа в виде: р = 2/3nЕ k .
Однако, измерив только давление газа, невозможно узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужно измерение какой-то еще физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной в физике является температура. Температура - скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия (состояния, при котором не происходит изменения микроскопических параметров). Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетическая величина характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией.
E k = 3/2 kT, где k = 1,38 10 -23 Дж/К и называется постоянной Больцмана.
Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Измеряется температура термометрами в градусах различных температурных шкал. Существует абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) и различные эмпирические шкалы, которые отличаются начальными точками. До введения абсолютной шкалы температур в практике широкое распространение получила шкала Цельсия (за О °С принята точка замерзания воды, за 100 °С принята точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении).
Единица температуры по абсолютной шкале называется Кельвином и выбрана равной одному градусу по шкале Цельсия 1 К = 1 °С. В шкале Кельвина за ноль принят абсолютный ноль температур, т. е. температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю. Вычисления дают результат, что абсолютный ноль температуры равен -273 °С. Таким образом, между абсолютной шкалой температур и шкалой Цельсия существует связь Т = t °С + 273. Абсолютный ноль температур недостижим, так как любое охлаждение основано на испарении молекул с поверхности, а при приближении к абсолютному нулю скорость поступательного движения молекул настолько замедляется, что испарение практически прекращается. Теоретически при абсолютном нуле скорость поступательного движения молекул равна нулю, т. е. прекращается тепловое движение молекул.
Билет №8
Уравнение состояния идеального газа. (Уравнение Менделеева-Клапейрона.) Изопропессы
План ответа
1. Уравнение состояния. 2. Уравнение Менделеева-Клапейрона. 3. Процессы в газах. 4. Изопроцессы. 5. Графики изопроцессов.
Состояние данной массы полностью определено, если известны давление, температура и объем газа. Эти величины называют параметрами состояния газа. Уравнение, связывающее параметры состояния, называют уравнением состояния.
Для произвольной массы газа единичное состояние газа описывается уравнением Менделеева- Клапейрона: pV = mRT/M, где р - давление, V -
объем, т - масса, М - молярная масса, R - универсальная газовая постоянная. Физический смысл универсальной газовой постоянной в том, что она показывает, какую работу совершает один моль идеального газа при изобарном расширении при нагревании на 1 К (R = 8,31 Дж/моль К).
Уравнение Менделеева-Клапейрона показывает, что возможно одновременно изменение пяти параметров, характеризующих состояние идеального
газа. Однако многие процессы в газах, происходящие в природе и осуществляемые в технике, можно рассматривать приближенно как процессы, в которых изменяются лишь два параметра из пяти. Особую роль в физике и технике играют три процесса: изотермический, изохорический и изобарный.
Изопроцессом называют процесс, происходящий с данной массой газа при одном постоянном параметре - температуре, давлении или объеме. Из уравнения состояния как частные случаи получаются законы для изопроцессов.
Изотермическим называют процесс, протекающий при постоянной температуре. Т = const. Он описывается законом Бойля-Мариотта. pV = const.
Изохорным называют процесс, протекающий при постоянном объеме. Для него справедлив закон Шарля. V = const. p/T = const.
Изобарным называют процесс, протекающий при постоянном давлении. Уравнение этого процесса имеет вид V/T == const при р = const и называется законом Гей-Люссака. Все процессы можно изобразить графически (рис. 11).
Реальные газы удовлетворяют уравнению состояния идеального газа при не слишком высоких давлениях (пока собственный объем молекул пренебрежительно мал по сравнению с объемом сосуда, в котором находится газ) и при не слишком низких температурах (пока потенциальной энергией межмолекулярного взаимодействия можно пренебречь по сравнению с кинетической энергией теплового движения молекул), т. е. для реального газа это уравнение и его следствия являются хорошим приближением.
Билет №9
Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Измерение влажности воздуха
План ответа
1. Основные понятия. 2. Водяной пар в атмосфере. 3. Абсолютная и относительная влажность. 4. Точка росы. 5. Приборы для измерения влажности.
Испарение - парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Неравномерное распределение кинетической энергии теплового движения молекул приводит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура тела зависит от скорости
движения его молекул, следовательно, испарение сопровождается охлаждением жидкости. Скорость испарения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жидкости. Конденсация - процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.
Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала испарения концентрация вещества в газообразном состоянии достигнет такого значения, при котором число молекул, возвращающихся в жидкость, становится равным числу молекул, покидающих жидкость за то же время. Устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации вещества. Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром. (Паром называют совокупность молекул, покинувших жидкость в процессе испарения.) Пар, находящийся при давлении ниже насыщенного, называют ненасыщенным.
Вследствие постоянного испарения воды с поверхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосферное давление представляет собой сумму давления сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отличие от ненасыщенного не подчиняется законам идеального газа. Так, давление насыщенного пара не зависит от объема, но зависит от температуры. Эта зависимость не может быть выражена простой формулой, поэтому на основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от температуры составлены таблицы, по которым можно определить его давление при различных температурах.
Давление водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, называют абсолютной влажностью, или упругостью водяного пара. Поскольку давление пара пропорционально концентрации молекул, можно определить абсолютную влажность как плотность водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в килограммах на метр кубический (р ).
Большинство явлений, наблюдаемых в природе, например быстрота испарения, высыхание различных веществ, увядание растений, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от того, насколько это количество близко к насыщению, т. е. от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.
ри низкой температуре и высокой влажности повышается теплопередача и человек подвергается переохлаждению. При высоких температурах и влажности теплопередача, наоборот, резко сокращается, что ведет к перегреванию организма. Наиболее благоприятной для человека в средних климатических широтах является относительная влажность 40-60%. Относительной влажностью называют отношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах, т. е. = р/р 0 100%, или (р = р/р 0 100%.Относительная влажность колеблется в широких пределах. Причем суточный ход относительной влажности обратен суточному ходу температуры. Днем, с возрастанием температуры, и следовательно, с ростом давления насыщения относительная влажность убывает, а ночью возрастает. Одно и то же количество водяного пара может либо насыщать, либо не насыщать воздух. Понижая температуру воздуха, можно довести находящийся в нем пар до насыщения. Точкой росы называют температуру, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами.
Механика
Механическое движение : изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. При этом тела взаимодействуют по законам механики.
Траектория движения: линия, описываемая телом при его движении относительно выбранной системы отсчёта.
Пройденный путь: длина дуги траектории, пройденной телом за некоторое время t.
Скорость движения: векторная величина, характеризующая быстроту перемещения и направления движения тела в пространстве, относительно выбранной системы отсчёта.
Ускорение движения: векторная величина, показывающая, на сколько изменяется вектор скорости тела при его движении за единицу времени.
Тангенциальное ускорение: ускорение, характеризующее быстроту изменения скорости по модулю.
Нормальное ускорение : ускорение, характеризующее быстроту изменения скорости по направлению (аналогично с центростремительным ускорением).
Связь между ними: A=At An
1 закон Ньютона: существуют инерциальные системы отсчета, в которых тело движется равномерно и прямолинейно или находится в состоянии покоя пока на него не будет воздействовать другое тело.
2 закон Ньютона: F= ma (док-во)
3 закон Ньютона: все тела взаимодействуют друг с другом с силой, равной по значенью и противоположной по направлению. (док-во)
Сила всемирного тяготения (гравитация): универсальное фундаментальное взаимодействие между всеми материальными телами.
Сила тяжести: сила P, действующая на любое тело, находящееся вблизи земной поверхности, и определяемая как геометрическая сумма силы притяжения Земли F и центробежной силы инерции Q, учитывающей эффект суточного вращения Земли.
Вес тела: сила воздействия тела на опору (или подвес или другой вид крепления), препятствующую падению, возникающая в поле сил тяжести.
Сила упругости: сила, возникающая при деформации тела и противодействующая этой деформации.
Сила Архимеда: на тело, погружённое в жидкость (или газ), действует выталкивающая сила, равная весу вытесненной этим телом жидкости (или газа).
Сила Стокса (сила трения): процесс взаимодействия тел при их относительном движении (смещении) либо при движении тела в газообразной или жидкой среде.
При наличии относительного движения двух контактирующих тел силы трения, возникающие при их взаимодействии, можно подразделить на:
Трение скольжения - сила, возникающая при поступательном перемещении одного из контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого и действующая на это тело в направлении, противоположном направлению скольжения.
Трение качения - момент сил, возникающий при качении одного из двух контактирующих/взаимодействующих тел относительно другого.
Трение покоя - сила, возникающая между двумя контактирующими телами и препятствующая возникновению относительного движения. Эту силу необходимо преодолеть для того, чтобы привести два контактирующих тела в движение друг относительно друга. Возникает при микроперемещениях (например, при деформации) контактирующих тел. Она действует в направлении, противоположном направлению возможного относительного движения.
В физике взаимодействия трение принято разделять на:
сухое , когда взаимодействующие твёрдые тела не разделены никакими дополнительными слоями/смазками (в том числе и твердыми смазочными материалами) - очень редко встречающийся на практике случай. Характерная отличительная черта сухого трения - наличие значительной силы трения покоя;
граничное , когда в области контакта могут содержаться слои и участки различной природы (окисные плёнки, жидкость и так далее) - наиболее распространённый случай при трении скольжения.
смешанное , когда область контакта содержит участки сухого и жидкостного трения;
жидкостное (вязкое) , при взаимодействии тел, разделённых слоем твёрдого тела, жидкости или газа различной толщины - как правило, встречается при трении качения, когда твёрдые тела погружены в жидкость, величина вязкого трения характеризуется вязкостью среды;
эластогидродинамическое , когда решающее значение имеет внутреннее трение в смазывающем материале. Возникает при увеличении относительных скоростей перемещения.
Вращательное движение: движение, при котором все точки тела движутся по окружностям разных радиусов, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения.
Угловая скорость: векторная физическая величина, характеризующая скорость вращения тела. Вектор угловой скорости по величине равен углу поворота тела в единицу времени.
Угловое ускорение: псевдовекторная величина, характеризующая быстроту изменения угловой скорости твёрдого тела.
Связь между ними: (см приложение).
Момент силы относительно оси: физическая величина, численно равная произведению радиус-вектора, проведенного от оси вращения к точке приложения силы, на вектор этой силы.
Плечо силы : кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы.
1)Момент инерции точечного тела: скалярная физическая величина, равная произведению массы этого тела на квадрат расстояния этого тела до оси вращения.
2)Момент инерции системы тел: сумма моментов инерций всех тел, входящих в эту систему (св-во аддитивности).
Импульс тела: векторная физическая величина, равная произведению массы тела на скорость.
Закон сохранения импульса: векторная сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.
Момент импульса тела: векторное произведение радиус-вектора, проведённого от т.О к т. Приложения импульса на импульс материальной т. М (рис. См. в приложении).
Закон сохранения момента импульса: векторная сумма всех моментов импульса относительно любой оси для замкнутой системы остается постоянной в случае равновесия системы. В соответствии с этим, момент импульса замкнутой системы относительно любой неподвижной точки не изменяется со временем.
Работа силы: физическая величина, равная произведению величины проекции вектора силы на направление движения и величины совершённого перемещения.
Консервативные силы: силы, работа которых не зависит от траектории движения тела, а зависит только от начального и конечного положения точки.
Неконсервативные силы: (обр. от консервативных сил).
Потенциальная энергия: энергия взаимного расположения тел, или энергия взаимодействия. (формулы см в приложении).
Кинетическая энергия вращательного движения : энергия тела, связанная с его вращением.
Механическая энергия: энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу
Закон сохранения механической энергии: для изолированной физической системы может быть введена скалярная физическая величина, являющаяся функцией параметров системы и называемая энергией, которая сохраняется с течением времени.
Связь работы неконсервативных сил с изм. Механ. Энергии : (см. в. Приложении).
2. Электричество и магнетизм
2.1 Заряды взаимодействуют между собой – одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются.
Точечный электрический заряд – это заряженное тело нулевых размеров. Точечным зарядом можно считать заряженное тело, размеры которого много меньше расстояния до других заряженных тел. Заряды создают в окружающем их пространстве электрические поля, посредством которых заряды взаимодействуют друг с другом.
З-н Кулона : 2 точечных заряда в вакууме взаимодействуют с силами, величина которых прямо пропорциональна величинам этих зарядов, и обратно пропорцион квадрату расстояния между ними.
Напряженностью называется векторная физ величина, численно равная отношению силы, действующей на заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда.
Закон Кулона: . Напряженность поля:.
Тогда напряженность поля точечного заряда :
Принцип суперпозиции. Напряжённость поля, создаваемого системой неподвижных точечных зарядовq 1 ,q 2 ,q 3 ,…,q n , равна векторной сумме напряжённостей электрических полей, создаваемых каждым из этих зарядов в отдельности:
где r i – расстояние между зарядомq i и рассматриваемой точкой поля.
Потенциал электростатического поля – это скалярная энергетическая характеристика электростатич поля.
Потенциал поля точечного заряда Q в однородной изотропной среде с диэлектрической проницаемостьюe:
Принцип суперпозиции. Потенциал есть скалярная функция, для неё справедлив принцип суперпозиции. Так для потенциала поля системы точечных зарядовQ 1, Q 2 ¼, Q n имеем
Работа электрического поля.
Разность потенциалов(U ).
Разность потенциалов двух точек поля φ1 - φ2 называется н а п р я ж е н и е м, измеряется в вольтах и обозначается буквой U.
Связь разности потенциалов с напряженностью :A=Eq*dr,A=Uq,U=A/q=E*dr
2.2 Электрический конденсатор – это система из 2ух или более электродов (обкладок), разделенных диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок. Это устройство для накопления заряда и энергии электрического поля. (C)=(Ф)=(Кл/В)
Электроемкость плоского конденсатора.
Согласно принципу суперпозиции:,
Поверхностная плотность σ заряда пластин равна q /S , где q – заряд, а S – площадь каждой пластины.
Электроемкость плоского конденсатора прямо пропорциональна площади пластин (обкладок) и обратно пропорциональна расстоянию между ними. Если пространство между обкладками заполнено диэлектриком, электроемкость конденсатора увеличивается в ε раз:
Энергия электрического поля.
2.3 Электрический ток – это упорядоченное движение свободных электрически заряженных частиц (например, под воздействием электрического поля).
Сила тока – физ величина, равная отношению кол-ва заряда, прошедшего за некоторое время через поперечное сечение проводника, к величине этого промежутка времени. I=dq/dt (A=Кл/с)
Плотность тока – вектор, модуль которого равен отношению силы тока, протекающего через некоторую площадку, перпендикулярно направлению тока, к величине этой площадки.
Электродвижущая сила (ЭДС) - скалярная физическая величина, характеризующая работу сторонних (непотенциальных) сил в источниках постоянного или переменного тока.
, где - элемент длины контура.E=A/q, где А-работа сторонних сил
Напряжение – отношение работы электрического поля при переносе заряа из одной точки в другую к величине этого заряда.
Электрическое сопротивление – физ величина, характеризующая св-ва проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающей по нему.
где ρ - удельное сопротивление вещества проводника,l - длина проводника, аS - площадь сечения.
При протекании тока по металлическому проводнику не происходит переноса в-ва, ионы металла не принимают участия в переносе электрического заряда.
З-н Ома – физ закон, определяющий связь между напряжением, силой тока и сопротивлением проводника в электриче.
Закон Ома для полной цепи:
Для участка цепи:
Сопротивление зависит как от материала, по которому течёт ток, так и от геометрических размеров проводника.
Полезно переписать закон Ома в дифференциальной форме , в которой зависимость от геометрических размеров исчезает, и тогда закон Ома описывает исключительно электропроводящие свойства материала. Для изотропных материалов имеем:
Работа электрического тока:
ΔA = (φ 1 – φ 2) Δq = Δφ 12 I Δt = U I Δt, RI = U, R I 2 Δ t = U I Δ t = Δ A
Работа ΔA электрического токаI , протекающего по неподвижному проводнику с сопротивлениемR , преобразуется в тепло ΔQ , выделяющееся на проводнике.
ΔQ = ΔA =R I 2 Δt .
З-н Джоуля-Ленца определяет кол-во тепла, выделяющегося в проводнике при прохождении через него электрического тока. Так как в их опытах единственным результатом работы было нагревание металлического проводника, то следовательно по закону сохранения энергии вся работу превращается в тепло.
2.4 Магнитное взаимодействие – это взаимодействие движущихся зарядов.
Магнитное поле создается: движущимися электрическими зарядами, проводниками с током, постоянными магнитами.
1)Индукция магнитного поля(В) – векторная величина, которая является характеристикой магнитного поля. Определяет с какой силой магнитное поле действует на заряд, движущийся со скоростью. (В)=(Тл)
B=Fлmax/q*V – если заряд попадает в поле перпендикулярно линиям м. индукции
2)В – это физ величин, равная max силе Ампера, действующей на единичный элемент проводника с током. B=dFamax/I*dl
Для определения направления вектора В используют правило правой руки (винта, буравчика).
Для магнитного поля справедлив принцип суперпозиции.
Вектор В является касательным к силовым линиям м. поля.
Если В в каждой точке поля остается постоянным как по величине, так и по направлению, то такое м. поле называется однородным. Такое поле можно создать с помощью бесконечно длиной катушки с током (соленоид).
Напряженность магнитного поля необходима для определения магнитной индукции поля, создаваемого токами различной конфигурации в различных средах. Напряженность магнитного поля характеризует магнитное поле в вакууме.
Напряженность магнитного поля (формула) векторная физическая величина, равная:
μ 0 – магнитная постоян, μ – м. проницаемость среды
Напряженность магнитного поля в СИ - ампер на метр (А/м).
Векторы индукции (В) и напряженности магнитного поля (Н) совпадают по направлению.
Напряженность магнитного поля зависит только от силы тока, протекающего по проводнику, и его геометрии.
Закон Ампера - закон взаимодействия электрических токов. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с электрическими токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположных - отталкиваются.
На проводник с электрическим током, помещенный в магнитное поле действует сила Ампера.
Где - угол между векторами магнитной индукции и тока.
Сила максимальна когда элемент проводника с током расположен перпендикулярно линиям магнитной индукции ():
Направление определяется по правилу левой руки.
Закон Био - Савара - Лапласа и его применение к расчету магнитного поля
Магнитное поле постоянных токов различной формы изучалось французскими учеными Ж. Био (1774-1862) и Ф. Саваром (1791-1841). Результаты этих опытов были обобщены выдающимся французским математиком и физиком П. Лапласом.
Закон Био - Савара - Лапласа для проводника с током I, элемент dl которого создает в некоторой точке А (рис. 164) индукцию поля dB, записывается в виде
(110.1)
где dl - вектор, по модулю равный длине dl элемента проводника и совпадающий по направлению с током, r-радиус-вектор, проведанный из элемента dl проводника в точку А поля, r - модуль радиуса-вектора r. Направление dB перпендикулярно dl и r, т. е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной к линии магнитной индукции. Это направление может быть найдено по правилу нахождения линий магнитной индукции (правилу правого винта): направление вращения головки винта дает направление dB, если поступательное движение винта соответствует направлению тока в элементе.
Модуль вектора dB определяется выражением
(110.2)
где a - угол между векторами dl и r.
Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности: Напряженность и потенциал поля диполя. Решение задач по физике
Расчет характеристик магнитного поля (В и Н) по приведенным формулам в общем случае сложен. Однако если распределение тока имеет определенную симметрию, то применение закона Био - Савара - Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет просто рассчитать конкретные поля. Рассмотрим два примера.
1. Магнитное поле прямого тока - тока, текущего по тонкому прямому проводу бесконечной длины (рис. 165). В произвольной точке А, удаленной от оси проводника на расстояние R, векторы dB от всех элементов тока имеют одинаковое направление, перпендикулярное плоскости чертежа («к вам»). Поэтому сложение векторов dB можно заменить сложением их модулей. В качестве постоянной интегрирования выберем угол a (угол между векторами dl и r), выразив через него все остальные величины. Из рис. 165 следует, что
(радиус дуги CD вследствие малости dl равен r, и угол FDC по этой же причине можно считать прямым). Подставив эти выражения в (110.2), получим, что магнитная индукция, создаваемая одним элементом проводника, равна
(110.4)
Так как угол a для всех элементов прямого тока изменяется в пределах от 0 до p, то, согласно (110.3) и (110.4),
Следовательно, магнитная индукция поля прямого тока
2. Магнитное поле в центре кругового проводника с током (рис. 166). Как следует из рисунка, все элементы кругового проводника с током создают в центре магнитные поля одинакового направления - вдоль нормали от витка. Поэтому сложение векторов dB можно заменить сложением их модулей. Так как все элементы проводника перпендикулярны радиусу-вектору (sina =1) и расстояние всех элементов проводника до центра кругового тока одинаково и равно R, то, согласно (110.2),
Следовательно, магнитная индукция поля в центре кругового проводника с током
Магнитное поле действует только на движущиеся электрические заряды и на частицы и тела, обладающие магнитным моментом.
На электрически заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле со скоростью v , действует сила Лоренца , которая направлена всегда перпендикулярно направлению движения. Величина этой силы зависит от направления движения частицы по отношению к вектору магнитной индукции и определяется выражением
Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном полях.
На заряженную частицу со стороны электрического поля действует постоянная сила F=qE, которая сообщает частице постоянное ускорение .
При движении заряженной частицы в однородном постоянном магнитном поле на нее действует сила Лоренца . Если начальная скорость частицы перпендикулярна вектору магнитной индукции поля, то заряженная частица движется по окружности.
2.5 Работа магнитного поля при движении проводника с током.
На проводник с током в магнитном поле действуют силы, которые определяются с помощью закона Ампера. Если проводник не закреплен, то под действием силы Ампера он в магнитном поле будет перемещаться. Значит, магнитное поле совершает работу по перемещению проводника с током.
Для вычисления этой работы рассмотрим проводник длиной l с током I (он может свободно двигаться), который помещен в однородное внешнее магнитное поле, которое перпендикулярно плоскости контура. Сила, направление которой определяется по правилу левой руки, а значение - по закону Ампера, рассчитывается по формуле Под действием данной силы проводник передвинется параллельно самому себе на отрезок dx из положения 1 в положение 2. Работа, которая совершается магнитным полем, равнатак какl dx=dS - площадь, которую пересекает проводник при его перемещении в магнитном поле, BdS=dФ - поток вектора магнитной индукции, который пронизывает эту площадь. Значит, т. е. работа по перемещению проводника с током в магнитном поле равна произведению силы тока на магнитный поток, пересеченный движущимся проводником.
Магнитный поток (Ф)=(Вебер,Вб).
1)Магнитным потоком называется физ величина, численно равная скалярному произведению потока вектора магнитной индукции на площадь малой площадки.
dФ = B*dS(вектор), где dS(вектор) = n(вектор)*dS. n(вектор) – нормаль к площадке, dS – размер площадки
dФ = B*dS = B*dS*cosa = Bn*dS, угол а = (n,B), Bn = B*cosa
2) Магнитным потоком через произвольную пов-ть S называется скалярная физ величина, численно равная интегралу, взятому по пов-ти S от скалярного произведения B*dS
3) Потоком вектора Ф через замкнутую пов-ть называется интеграл, взятый от B*dS
Теорема Гаусса. В соответствии с теоремой Гаусса для магнитной индукции поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю:
Физический смысл: эта теорема утверждает, что магнитных зарядов в природе не существует.
Индуктивность (или коэффициент самоиндукции ) - коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является этот контур.
Магнитный поток, - ток в контуре,- индуктивность
Индуктивность соленоида:
Магнитная индукция в соленоиде определяется по формуле:
где μ 0 - магнитная постоянная, равна 4p×10 -7 Гн/м,
μ - магнитная проницаемость среды, заполняющей соленоид,
N - число витков соленоида,
I - сила тока.
Магнитный поток через N витков соленоида будет равен
,
где S – площадь сечения соленоида. Сравнивая формулы легко найти, что индуктивность соленоида
2.6 Электромагнитная индукция - явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него.