Экзаменационные билеты и ответы за 11 класс по Физике

Билет№1

МеханическоедвижениеОтносительностьдвижения, Системаотсчета, Материальнаяточка, Траектория.Путь и перемещение.Мгновеннаяскорость. Ускорение.Равномерноеи равноускоренноедвижение

Планответа

1. Определение механического движения. 2.Основные понятиямеханики. 3.Кинематическиехарактеристики.4. Основныеуравнения. 5.Виды движения.6. Относительностьдвижения.

Механическимдвижениемназывают изменениеположения тела(или его частей)относительнодругих тел.Например, человек,едущий на эскалаторев метро, находитсяв покое относительносамого эскалатораи перемещаетсяотносительностен туннеля;гора Эльбруснаходится впокое относительноЗемли и движетсявместе с ЗемлейотносительноСолнца.

Из этих примероввидно, что всегданадо указатьтело, относительнокоторогорассматриваетсядвижение, егоназывают теломотсчета. Системакоординат,тело отсчета,с которым онасвязана, и выбранныйспособ измерениявремени образуютсистему отсчета.Рассмотримдва примера.Размеры орбитальнойстанции, находящейсяна орбите околоЗемли, можноне учитывать,рассчитываятраекториюдвижения космическогокорабля пристыковке состанцией, безучета ее размеровне обойтись.Таким образом,иногда размерамитела по сравнениюс расстояниемдо него можнопренебречь,в этих случаяхтело считаютматериальнойточкой, Линию,вдоль которойдвижется материальнаяточка, называюттраекторией.Длина частитраекториимежду начальными конечнымположениемточки называютпутем (L). Единицаизмерения пути— 1м.

Механическоедвижениехарактеризуетсятремя физическимивеличинами:перемещением,скоростьюи ускорением.

Направленныйотрезок прямой,проведенныйиз начальногоположениядвижущейсяточки в ее конечноеположение,называетсяперемещением(s), Перемещение— величинавекторнаяЕдиница измеренияперемещения-1м.

Скорость —векторнаяфизическаявеличина,характеризующаябыстроту перемещениятела, численноравная отношениюперемещенияза малый промежутоквремени к величинеэтого промежутка.Промежуток,времени считаетсядостаточномалым, еслискорость втечении этогопромежуткане менялась.Например, придвижении автомобиляt ~ 1 с, при движенииэлементарнойчастицы t ~ 10 с,при движениинебесных телt ~ 10 с. Определяющаяформула скоростиимеет вид v =s/t. Единицаизмеренияскорости — м/с.На практикеиспользуютединицу измеренияскорости км/ч(36 км/ч = 10 м/с). Измеряютскорость спидометром.

Ускорение— векторнаяфизическаявеличина,характеризующаябыстроту измененияскорости, численноравная отношениюизмененияскорости кпромежуткувремени, в течениекоторого этоизменениепроизошло. Еслискорость изменяетсяодинаково втечение всеговремени движения,то ускорениеможно рассчитатьпо формуле а= (v –v₀)/t.Единица измеренияускорения —м/с².

Характеристикимеханическогодвижения связанымежду собойосновнымикинематическимиуравнениями.

s = v_0t+ at²/2;

v = v₀+at.

Предположим,что тело движетсябез ускорения(самолет намаршруте), егоскорость втечение продолжительноговремени неменяется, а= 0, тогда кинематическиеуравнения будутиметь вид: v= const, s =vt.

Движение, прикотором скоростьтела не меняется,т. е. тело за любыеравные промежуткивремени перемещаетсяна одну и ту жевеличину, называютравномернымпрямолинейнымдвижением.

Во время стартаскорость ракетыбыстро возрастает,т. е. ускорениеа > О, а == const.

В этом случаекинематическиеуравнениявыглядят так:v =v₀+ at, s= V_0t+ at²/2.

При таком движениискорость иускорение имеютодинаковыенаправления,причем скоростьизменяетсяодинаково залюбые равныепромежуткивремени. Этотвид движенияназываютравноускоренным.

При торможенииавтомобиляскорость уменьшаетсяодинаково залюбые равныепромежуткивремени, ускорениеменьше нуля;так как скоростьуменьшается,то уравненияпринимают вид:v= v₀+ at, s = v_0t- at²/2.Такое движениеназываютравнозамедленным.

Все физическиевеличины,характеризующиедвижение тела(скорость, ускорение,перемещение),а также видтраектории,могут изменятьсяпри переходеиз одной системык другой, т. е.характер движениязависит отвыбора системыотсчета, в этоми проявляетсяотносительностьдвижения.Например, ввоздухе происходитдозаправкасамолета топливом.В системе отсчета,связанной ссамолетом,другой самолетнаходится впокое, а в системеотсчета, связаннойс Землей, обасамолета находятсяв движении.При движениивелосипедистаточка колесав системе отсчета,связанной сосью, имееттраекторию,представленнуюна рисунке 1.

Рис. 1 Рис. 2

Всистеме отсчета,связанной сЗемлей, видтраекторииоказываетсядругим(рис.2).

Билет №10

Кристаллическиеи аморфныетела. Упругиеи пластическиедеформациитвердых тел.

Планответа

1. Твердыетела. 2. Кристаллическиетела. 3. Моно- иполикристаллы.4. Аморфные тела..5. Упругость.6. Пластичность.

Каждый можетлегко разделитьтела на твердыеи жидкие. Однакоэто делениебудет толькопо внешнимпризнакам. Длятого чтобывыяснить, какимиже свойствамиобладают твердыетела, будем ихнагревать. Однитела начнутгореть (дерево,уголь)— это органическиевещества. Другиебудут размягчаться(смола) дажепри невысокихтемпературах— это аморфные.Третьи будутизменять своесостояние принагреваниитак, как показанона графике(рис. 12). Это и естькристаллическиетела. Такоеповедениекристаллическихтел при нагреванииобъясняетсяих внутреннимстроением.Кристаллическиетела — это такиетела, атомы имолекулы которыхрасположеныв определенномпорядке, и этотпорядок сохраняетсяна достаточнобольшом расстоянии.Пространственноепериодическоерасположениеатомов илиионов в кристалленазываюткристаллическойрешеткой. Точкикристаллическойрешетки, в которыхрасположеныатомы или ионы,называют узламикристаллическойрешетки.

Рис. 12

Кристаллическиетела бываютмонокристалламии поликристаллами.Монокристаллобладает единойкристаллическойрешеткой вовсем объеме.

Анизотропиямонокристалловзаключаетсяв зависимостиих физическихсвойств отнаправления.Поликристаллпредставляетсобой соединениемелких, различнымобразом ориентированныхмонокристаллов(зерен) и не обладаетанизотропиейсвойств.

Большинствотвердых телимеют поликристаллическоестроение (минералы,сплавы, керамика).

Основнымисвойствамикристаллическихтел являются:определенностьтемпературыплавления,упругость,прочность,зависимостьсвойств отпорядка расположенияатомов, т. е. оттипа кристаллическойрешетки.

Аморфныминазывают вещества,у которых отсутствуетпорядок расположенияатомов и молекулпо всему объемуэтого вещества.В отличие откристаллическихвеществ аморфныевеществаизотропны.Это значит, чтосвойства одинаковыпо всем направлениям.Переход изаморфногосостояния вжидкое происходитпостепенно,отсутствуетопределеннаятемператураплавления.Аморфные телане обладаютупругостью,они пластичны.В аморфномсостояниинаходятсяразличныевещества: стекла,смолы, пластмассыи т. п.

У

пругость— свойство телвосстанавливатьсвою форму иобъем послепрекращениядействия внешнихсил или другихпричин, вызвавшихдеформациютел. Для упругихдеформацийсправедливзакон Гука,согласно которомуупругие деформациипрямо пропорциональнывызывающимих внешнимвоздействиям, где — механическоенапряжение,

 — относительноеудлинение, Е— модуль Юнга(модуль упругости).Упругостьобусловленавзаимодействиеми тепловымдвижениемчастиц, из которыхсостоит вещество.

Пластичность— свойствотвердых телпод действиемвнешних силизменять, неразрушаясь,свою форму иразмеры и сохранятьостаточныедеформациипосле того, какдействие этихсил прекратится.

Билет № 11

Работа в термодинамике.Внутренняяэнергия. Первыйзакон термодинамики.Применениепервого законак изопроцессам.Адиабатныйпроцесс.

План ответа

1. Внутренняяэнергия и ееизмерение. 2.Работа втермодинамике.3. Первый законтермодинамики.4. Изопроцессы.5. Адиабатныйпроцесс.

Каждое телоимеет вполнеопределеннуюструктуру, оносостоит изчастиц, которыехаотическидвижутся ивзаимодействуютдруг с другом,поэтому любоетело обладаетвнутреннейэнергией. Внутренняяэнергия — этовеличина,характеризующаясобственноесостояние тела,т. е. энергияхаотического(теплового)движения микрочастицсистемы (молекул,атомов, электронов,ядер и т. д.) иэнергия взаимодействияэтих частиц.Внутренняяэнергия одноатомногоидеальногогаза определяетсяпо формулеU=3/2• т/М • RT.

Внутренняяэнергия теламожет изменятьсятолько в результатеего взаимодействияс другими телами.Существуютдва способаизменениявнутреннейэнергии: теплопередачаи совершениемеханическойработы (например,нагреваниепри трении илипри сжатии,охлаждениепри расширении).

Теплопередача— это изменениевнутреннейэнергии безсовершенияработы: энергияпередаетсяот более нагретыхтел к менеенагретым.Теплопередачабывает трехвидов: теплопроводность(непосредственныйобмен энергиеймежду хаотическидвижущимисячастицамивзаимодействующихтел или частейодного и тогоже тела); конвекция(перенос энергиипотоками жидкостиили газа) иизлучение(перенос энергииэлектромагнитнымиволнами). Меройпереданнойэнергии притеплопередачеявляетсяколичествотеплоты (Q).

Эти способыколичественнообъединеныв закон сохраненияэнергии, которыйдля тепловыхпроцессовчитается так.Изменениевнутреннейэнергии замкнутойсистемы равносумме количестватеплоты, переданнойсистеме, и работы,внешних сил,совершеннойнад системой.U= Q + А, где U—изменениевнутреннейэнергии, Q— количествотеплоты, переданнойсистеме, А— работа внешнихсил. Если системасама совершаетработу, то ееусловно обозначаютА'. Тогда законсохраненияэнергии длятепловых процессов,который называетсяпервым закономтермодинамики,можно записатьтак: Q = Α'+ U, т. е. количествотеплоты, переданноесистеме, идетна совершениесистемой работыи изменениеее внутреннейэнергии.

При изобарномнагреваниигаз совершаетработу надвнешними силамиΑ' = p(V₁-V₂)= pΔV, где

V₁,и V₂ —начальный иконечный объемгаза. Если процессне являетсяизобарным,величина работыможет бытьопределенаплощадью фигуры,заключенноймежду линией,выражающейзависимостьp(V)и начальными конечнымобъемом газа(рис. 13).

Рассмотримприменениепервого законатермодинамикик изопроцессам,происходящимс идеальнымгазом.

В изотермическомпроцессетемпературапостоянная,следовательно,внутренняяэнергия неменяется. Тогдауравнениепервого законатермодинамикипримет вид: Q= А',т. е. количествотеплоты, переданноесистеме, идетна совершениеработы приизотермическомрасширении,именно поэтомутемпературане изменяется.

В изобарномпроцессе газрасширяетсяи количествотеплоты, переданноегазу, идет наувеличениеего внутреннейэнергии и насовершениеим работы:Q = U + А'.

При изохорномпроцессе газне меняет своегообъема, следовательно,работа им несовершается,т. е., А= О,и уравнениепервого законаимеет вид:

Q = U, т. е.переданноеколичествотеплоты идетна увеличениевнутреннейэнергии газа.

Адиабатнымназывают процесс,протекающийбез теплообменас окружающейсредой.Q= 0, следовательно,газ при расширениисовершаетработу за счетуменьшенияего внутреннейэнергии, следовательно,газ охлаждается,Α' = U.Кривая, изображающаяадиабатныйпроцесс, называетсяадиабатой.

Билет№ 12

Взаимодействиезаряженныхтел. Закон Кулона.Закон сохраненияэлектрическогозаряда

Планответа

1. Электрическийзаряд. 2. Взаимодействиезаряженныхтел. 3. Законсохраненияэлектрическогозаряда. 4. ЗаконКулона. 5. Диэлектрическаяпроницаемость.6. Электрическаяпостоянная.7. Направлениекулоновскихсил.

Законывзаимодействияатомов и молекулудается понятьи объяснитьна основе знанийо строенииатома, используяпланетарнуюмодель егостроения. Вцентре атоманаходитсяположительнозаряженноеядро, вокругкоторого вращаютсяпо определенныморбитам отрицательнозаряженныечастицы. Взаимодействиемежду заряженнымичастицаминазываетсяэлектромагнитным.Интенсивностьэлектромагнитноговзаимодействияопределяетсяфизическойвеличиной —электрическимзарядом, которыйобозначаетсяq. Единицаизмеренияэлектрическогозаряда — кулон(Кл). 1 кулон — этотакой электрическийзаряд, который,проходя черезпоперечноесечение проводниказа 1 с, создаетв нем ток силой1 А. Способностьэлектрическихзарядов какк взаимномупритяжению,так и к взаимномуотталкиваниюобъясняетсясуществованиемдвух видовзарядов. Одинвид заряданазвали положительным,носителемэлементарногоположительногозаряда являетсяпротон. Другойвид заряданазвали отрицательным,его носителемявляется электрон.Элементарныйзаряд равене=1,6•10^-19Кл.

Зарядтела всегдапредставляетсячислом, кратнымвеличинеэлементарногозаряда:q=e(N_p-N_e)где N_p— количествоэлектронов,N_e —количествопротонов.

Полныйзаряд замкнутойсистемы (вкоторую невходят зарядыизвне), т. е.алгебраическаясумма зарядоввсех тел остаетсяпостоянной:q₁ + q₂+ ...+q_n= const.Электрическийзаряд не создаетсяи не исчезает,а только переходитот одного телак другому. Этотэкспериментальноустановленныйфакт называетсязаконом сохраненияэлектрическогозаряда. Никогдаи нигде в природене возникаети не исчезаетэлектрическийзаряд одногознака. Появлениеи исчезновениеэлектрическихзарядов нателах в большинствеслучаев объясняетсяпереходамиэлементарныхзаряженныхчастиц —электронов— от одних телк другим.

Электризация— это сообщениетелу электрическогозаряда. Электризацияможет происходить,например, присоприкосновении(трении) разнородныхвеществ и приоблучении. Приэлектризациив теле возникаетизбыток илинедостатокэлектронов.

В случаеизбытка электроновтело приобретаетотрицательныйзаряд, в случаенедостатка— положительный.

Законывзаимодействиянеподвижныхэлектрическихзарядов изучаетэлектростатика.

Основнойзакон электростатикибыл экспериментальноустановленфранцузскимфизиком ШарлемКулоном и читаетсятак. Модульсилы взаимодействиядвух точечныхнеподвижныхэлектрическихзарядов в вакуумепрямо пропорционаленпроизведениювеличин этихзарядов и обратнопропорционаленквадрату расстояниямежду ними.

F= k •q₁q₂/r²,где q₁и q₂—модули зарядов,r — расстояниемежду ними,k — коэффициентпропорциональности,зависящий отвыбора системыединиц, в СИk = 9 •10⁹ Н • м²/Кл².Величина,показывающаяво сколько разсила взаимодействиязарядов в вакуумебольше, чем всреде, называетсядиэлектрическойпроницаемостьюсреды ε. Длясреды с диэлектрическойпроницаемостьюε закон Кулоназаписываетсяследующимобразом:F=k •q₁q₂/(ε•r²)

Вместокоэффициентаk частоиспользуетсякоэффициент,называемыйэлектрическойпостоянной ε₀. Электрическаяпостояннаясвязана скоэффициентомk следующимобразом k= 1/4π ε₀и численноравна ε₀=8,85• 10^-12 Кл/Н •м².

С использованиемэлектрическойпостояннойзакон Кулонаимеет вид:F=(1/4πε₀)•(q₁q₂/r²)

Взаимодействиенеподвижныхэлектрическихзарядов называютэлектростатическим,или кулоновским,взаимодействием.Кулоновскиесилы можноизобразитьграфически(рис. 14, 15).

Кулоновскаясила направленавдоль прямой,соединяющейзаряженныетела. Она являетсясилой притяженияпри разныхзнаках зарядови силой отталкиванияпри одинаковыхзнаках.

Билет№ 14

Работаи мощность вцепи постоянного тока. Электродвижущаясила. Закон Омадля полной цепи

Планответа

1. Работатока. 2. ЗаконДжоуля—Ленца3. Электродвижущаясила. 4. ЗаконОма для полнойцепи.

В электрическомполе из формулыопределениянапряжения(U = A/q)легко получитьвыражениедля расчетаработы переносаэлектрическогозаряда А= Uq, таккак для токазаряд q= It, торабота тока:А = Ult,или А =I²Rt = U²/R• t.

Мощность,по определению,N = A/t,следовательно,N = UI= I² R= U²/R.

Русскийученый X.Ленц и английскийученый Джоульопытным путемв серединепрошлого векаустановилинезависимодруг от другазакон, которыйназываетсязаконом Джоуля—Ленцаи читаетсятак. При прохождениитока по проводникуколичествотеплоты, выделившейсяв проводнике,прямо пропорциональноквадрату силы,тока, сопротивлениюпроводникаи времени прохождениятока.

Q =I²Rt.

Полнаязамкнутая цепьпредставляетсобой электрическуюцепь, в составкоторой входятвнешние сопротивленияи источниктока (рис.18). Как один изучастков цепи,источник токаобладаетсопротивлением,которое называютвнутренним,г.

Для тогочтобы ток проходилпо замкнутойцепи, необходимо,чтобы в источникетока зарядамсообщаласьдополнительнаяэнергия, онаберется за счетработы по перемещениюзарядов, которуюпроизводятсилы неэлектрическогопроисхождения(сторонниесилы) противсил электрическогополя. Источниктока характеризуетсяэнергетическойхарактеристикой,которая называетсяЭДС — электродвижущаясила источника.ЭДС —характеристикаисточникаэнергии неэлектрическойприроды вэлектрическойцепи, необходимогодля поддержанияв ней электрическоготока. ЭДС измеряетсяотношениемработы стороннихсил по перемещениювдоль замкнутойцепи положительногозаряда к этомузаряду ξ= A_ст/q

Пустьза время tчерез поперечноесечение проводникапройдет электрическийзаряд q.Тогда работусторонних силпри перемещениизаряда можнозаписать так: A_ст= ξ q.Согласно определениюсилы тока q= It, поэтомуA_ст = ξ It. При совершенииэтой работына внутреннеми внешнем участкахцепи, сопротивлениякоторых Rи г, выделяетсянекотороеколичествотеплоты. Позакону Джоуля—Ленца оноравно: Q =I²Rt+ I²rt.Согласно законусохраненияэнергии А= Q.Следовательно,ξ•= IR+ Ir. Произведениесилы тока насопротивлениеучастка цепичасто называютпадением напряженияна этом участке.Таким образом,ЭДС равна суммепадений напряженийна внутреннеми внешнем участкахзамкнутой цепи.Обычно этовыражениезаписываюттак: I = ξ/(R+ r). Этузависимостьопытным путемполучил Г. Ом,называетсяона закономОма для полнойцепи и читаетсятак. Сила токав полной цепипрямо пропорциональнаЭДС источникатока и обратнопропорциональнаполному сопротивлениюцепи. При разомкнутойцепи ЭДС равнанапряжениюна зажимахисточника и,следовательно,может бытьизмерена вольтметром.

Билет № 15

Магнитноеполе, условияего существования.Действие магнитногополя на электрическийзаряд и опыты,подтверждающиеэто действие.Магнитнаяиндукция

Планответа

1. Опыты Эрстедаи Ампера. 2.Магнитноеполе. 3. Магнитнаяиндукция.4. Закон Ампера.

В 1820г. датский физикЭрстед обнаружил,что магнитнаястрелка поворачиваетсяпри пропусканииэлектрическоготока черезпроводник,находящийсяоколо нее (рис.19). Втом же годуфранцузскийфизик Амперустановил, чтодва проводника,расположенныепараллельнодруг другу,испытывают

взаимноепритяжение,если ток течетпо ним в однусторону, иотталкивание,если токи текутв разные стороны(рис. 20).Явление взаимодействиятоков Амперназвалэлектродинамическимвзаимодействием.Магнитноевзаимодействиедвижущихсяэлектрическихзарядов, согласнопредставлениямтеории близкодействия,объясняетсяследующимобразом:

всякийдвижущийсяэлектрическийзаряд создаетв окружающемпространствемагнитное поле.Магнитноеполе —особый видматерии, которыйвозникает впространствевокруг любогопеременногоэлектрическогополя.

С современнойточки зренияв природе существуетсовокупностьдвух полей— электрическогои магнитного— этоэлектромагнитноеполе, онопредставляетсобой особыйвид материи,т. е. существуетобъективно,независимоот нашего сознания.Магнитное полевсегда порождаетсяпеременнымэлектрическим,и, наоборот,переменноеэлектрическоеполе всегдапорождаетпеременноемагнитноеполе. Электрическоеполе, вообщеговоря, можно

рассматриватьотдельно отмагнитного,так как носителямиего являютсячастицы— электроныи протоны.Магнитное полебез электрическогоне существует,так как носителеймагнитногополя нет. Вокругпроводникас током существуетмагнитное поле,и оно порождаетсяпеременнымэлектрическимполем движущихсязаряженныхчастиц в проводнике.

Магнитноеполе являетсясиловым полем.Силовойхарактеристикоймагнитногополя называютмагнитнуюиндукцию (В).Магнитнаяиндукция— это векторнаяфизическаявеличина, равнаямаксимальнойсиле, действующейсо сторонымагнитногополя на единичныйэлемент тока.В= F/II.Единичныйэлемент тока— это проводникдлиной1 м и силойтока в нем1 А. Единицейизмерениямагнитнойиндукции являетсятесла.1 Тл= 1 Н/А• м.

Магнитнаяиндукция всегдапорождаетсяв плоскостипод углом90° к электрическомуполю. Вокругпроводникас током магнитноеполе такжесуществуетв перпендикулярнойпроводникуплоскости.

Магнитноеполе являетсявихревым полем.Для графическогоизображениямагнитных полейвводятсясиловые линии,или линиииндукции,— это такиелинии, в каждойточке которыхвектор магнитнойиндукции направленпо касательной.Направлениесиловых линийнаходится поправилу буравчика.Если буравчикввинчиватьпо направлениютока, то направлениевращения рукояткисовпадет снаправлениемсиловых линий.Линии магнитнойиндукции прямогопровода с токомпредставляютсобой концентрическиеокружности,расположенныев плоскости,перпендикулярнойпроводнику(рис. 21).

К

акустановилАмпер, на проводникс током, помещенныйв магнитноеполе, действуетсила. Сила,действующаясо стороны,магнитногополя на проводникс током, прямопропорциональнасиле тока. длинепроводникав магнитномполе и перпендикулярнойсоставляющейвектора магнитнойиндукции.Это и естьформулировказакона Ампера,который записываетсятак: F_a=ПВ sinα.

Направлениесилы Ампераопределяютпо правилулевой руки.Если левуюруку расположитьтак, чтобы четырепальца показывалинаправлениетока, перпендикулярнаясоставляющаявектора магнитнойиндукции входилав ладонь, тоотогнутыйна 90°большой палецпокажет направлениесилы Ампера(рис. 22). В= Вsinα.

Билет№ 16

Полупроводники.Собственнаяи примеснаяпроводимостьполупроводников.Полупроводниковыеприборы

План ответа

1.Определение.2. Собственнаяпроводимость.3. Донорнаяпроводимость.4. Акцепторнаяпроводимость.5. р-п переход.6. Полупроводниковыеприборы.7. Применениеполупроводников.

Полупроводники— это вещества,удельноесопротивлениекоторых убываетс повышениемтемпературы,наличия примесей,измененияосвещенности.По этим свойствамони разительноотличаютсяот металлов.Обычно к полупроводникамотносятсякристаллы, вкоторых дляосвобожденияэлектронатребуетсяэнергия неболее1,5 — 2 эВ. Типичнымиполупроводникамиявляются кристаллыгермания икремния, в которыхатомы объединеныковалентнойсвязью. Природаэтой связипозволяетобъяснитьуказанные вышехарактерныесвойства. Принагреванииполупроводникових атомы ионизируются.Освободившиесяэлектроны немогут бытьзахваченысоседнимиатомами, таккак все их валентныесвязи насыщены.Свободныеэлектроны поддействиемвнешнегоэлектрическогополя могутперемещатьсяв кристалле,создавая токпроводимости.Удаление электронас внешней оболочкиодного из атомовв кристаллическойрешетке приводитк образованиюположительногоиона. Этот ионможет нейтрализоваться,захватив электрон.Далее, в результатепере-

ходовот атомов кположительнымионам происходитпроцесс хаотическогоперемещенияв кристаллеместа с недостающимэлектроном.Внешне этотпроцесс хаотическогоперемещениявоспринимаетсякак перемещениеположительногозаряда, называемого«дыркой». Припомещениикристалла вэлектрическоеполе возникаетупорядоченноедвижение «дырок»— ток дырочнойпроводимости.

В идеальномкристалле токсоздаетсяравным количествомэлектронови «дырок». Такойтип проводимостиназывают собственнойпроводимостьюполупроводников.При повышениитемпературы(или освещенности)собственнаяпроводимостьпроводниковувеличивается.

Напроводимостьполупроводниковбольшое влияниеоказываютпримеси. Примесибывают до-норныеи акцепторные.Донорная примесь— это примесьс большейвалентностью.При добавлениидонорной примесив полупроводникеобразуютсялишние электроны.Проводимостьстанет электронной,а полупроводникназываютполупроводникомn-типа.Например, длякремния свалентностьюп= 4 донорнойпримесью являетсямышьяк с валентностьюп= 5. Каждыйатом примесимышьяка приведетк образованиюодного электронапроводимости.

Акцепторнаяпримесь— это примесьс меньшейвалентностью.При добавлениитакой примесив полупроводникеобразуетсялишнее количество«дырок». Проводимостьбудет «дырочной»,а полупроводникназываютполупроводником p-типа.Например, длякремния акцепторнойпримесью являетсяиндий с валентностью n= 3. Каждыйатом индияприведет кобразованиюлишней «дырки».

Принципдействия большинстваполупроводниковыхприборов основанна свойствахр-пперехода. Приприведениив контакт двухполупроводниковыхприборов р-типаи n-типав месте контактаначинаетсядиффузия электроновиз n-областив p-область,а «дырок»— наоборот,из р-в n-область.Этот процессбудет не бесконечныйво времени, таккак образуетсязапирающийслой, которыйбудет препятствоватьдальнейшейдиффузии электронови «дырок».

р

-пконтакт полупроводников,подобно вакуумномудиоду, обладаетодностороннейпроводимостью:если к р-областиподключить«+» источникатока, а к n-области«-» источникатока, то запирающийслой разрушитсяи р-пконтакт будетпроводить ток,электроны изобласти n-пойдут в р-область,а «дырки» изp-области в n-область(рис. 23).В первом случаеток не равеннулю, во второмток равен нулю.Т. е., если к p-областиподключить«-» источника,а к n-области— «+» источникатока, то запирающийслой расширитсяи тока не будет.

П

олупроводниковыйдиод состоитиз контактадвух полупроводниковр- иn-типа.Достоинствомполупроводниковогодиода являютсямалые размерыи масса, длительныйсрок службы,высокая механическаяпрочность,высокий коэффициентполезногодействия, анедостатком— зависимостьих сопротивленияот температуры.

Врадиоэлектроникеприменяетсятакже еще одинполупроводниковыйприбор: транзистор,который былизобретен в1948 г. В основетриода лежитне один, а двар-пперехода. Основноеприменениетранзистора— этоиспользованиеего в качествеусилителяслабых сигналовпо току и напряжению,а полупроводниковыйдиод применяетсяв качествевыпрямителятока. Послеоткрытия транзисторанаступилкачественноновый этапразвития электроники— микроэлектроники,поднявший накачественноиную ступеньразвитие электроннойтехники, системсвязи, автоматики.Микроэлектрониказанимаетсяразработкойинтегральныхмикросхем ипринципов ихприменения.Интегральноймикросхемойназываютсовокупностьбольшого числавзаимосвязанныхкомпонентов— транзисторов,диодов, резисторов,соединительныхпроводов,изготовленныхв едином технологическомпроцессе. Врезультатеэтого процессана одном кристаллеодновременносоздаетсянесколько тысячтранзисторов,конденсаторов,резисторови диодов, до3500. Размерыотдельныхэлементовмикросхемымогут быть2—5 мкм,погрешностьпри их нанесениине должна превышать0,2 мкм.МикропроцессорсовременнойЭВМ, размещенныйна кристаллекремния размером6х6 мм, содержитнесколькодесятков илидаже сотентысяч транзисторов.

Однаков технике применяютсятакже полупроводниковыеприборы безр-пперехода. Например,терморезисторы(для измерениятемпературы),фоторезисторы(в фотореле,аварийныхвыключателях,в дистанционныхуправленияхтелевизорамии видеомагнитофонами).

Билет№ 17

Электромагнитнаяиндукция. Магнитныйпоток.

Законэлектромагнитнойиндукции. ПравилоЛенца

Планответа

1. Опытыпо электромагнитнойиндукции. 2.Магнитныйпоток. 3. Законэлектромагнитнойиндукции.4. Правило Ленца.

Я

влениеэлектромагнитнойиндукции былооткрыто МайкломФарадеем в1831 г. Он опытнымпутем установил,что при изменениимагнитногополя внутризамкнутогоконтура в немвозникаетэлектрическийток, которыйназываютиндукционнымтоком. ОпытыФарадея можновоспроизвестиследующимобразом: привнесении иливынесениимагнита вкатушку, замкнутуюна гальванометр,в катушкевозникаетиндукционныйток (рис. 24).Если рядомрасположитьдве катушки(например, наобщем сердечникеили одну катушкувнутри другой)и однукатушку черезключ соединитьс источникомтока, то призамыкании илиразмыканииключа в цепипервой катушкиво второй катушкепоявится индукционныйток (рис. 25).Объяснениеэтого явлениябыло дано Максвеллом.Любое переменноемагнитноеполе всегдапорождаетпеременноеэлектрическоеполе.

Дляколичественнойхарактеристикипроцесса изменениямагнитногополя череззамкнутыйконтур вводитсяфизическаявеличина подназваниеммагнитныйпоток. Магнитнымпотоком череззамкнутыйконтур площадьюS называютфизическуювеличину, равнуюпроизведениюмодуля векторамагнитнойиндукции Вна площадьконтура Sи на косинусугла а междунаправлениемвектора магнитнойиндукции инормалью кплощади контура.Ф = BS cosα (рис.26).

О

пытнымпутем был установленосновной законэлектромагнитнойиндукции: ЭДСиндукции взамкнутомконтуре равнапо величинескорости из-менениямагнитногопотока черезконтур. ξ= ΔФ/t..

Еслирассматриватькатушку, содержащуюп витков, тоформула основногозакона электромагнитнойиндукции будетвыглядеть так:ξ = n ΔФ/t.

Единицаизмерениямагнитногопотока Ф —вебер (Вб): 1В6=1Β•c.

Из основногозакона ΔФ=ξ t следуетсмысл размерности:1 вебер —это величинатакого магнитногопотока, который,уменьшаясьдо нуля за однусекунду, череззамкнутыйконтур наводитв нем ЭДС индукции1 В.

Классическойдемонстрациейосновногозакона электромагнитнойиндукции являетсяпервый опытФарадея: чембыстрее перемещатьмагнит черезвитки катушки,тем большевозникаетиндукционныйток в ней, а значит,и ЭДС индукции.

З

ависимостьнаправленияиндукционноготока от характераизменениямагнитногополя череззамкнутыйконтур в 1833г. опытным путемустановилрусский ученыйЛенц. Он сформулировалправило, носящееего имя. Индукционныйток имеет такоенаправление,при которомего магнитноеполе стремитсяскомпенсироватьизменениевнешнего магнитногопотока черезконтур. Ленцембыл сконструированприбор, представляющийсобой дваалюминиевыхкольца, сплошноеи разрезанное,укрепленныена алюминиевойперекладинеи имеющие возможностьвращатьсявокруг оси, каккоромысло.(рис. 27). Привнесении магнитав сплошноекольцо ононачинало «убегать»от магнита,поворачиваясоответственнокоромысло. Привынесениимагнита изкольца кольцостремилось«догнать»магнит. Придвижении магнитавнутри разрезанногокольца никакогоэффекта непроисходило.Ленц объяснялопыт тем, чтомагнитное полеиндукционноготока стремилоськомпенсироватьизменениевнешнего магнитногопотока.

Билет№ 18

Явлениесамоиндукции.Индуктивность.Электромагнитноеполе

Планответа

1. Опытыпо самоиндукции.2. ЭДС самоиндукции.3. Индуктивность.4. Энергиямагнитногополя.

Я

влениесамоиндукциизаключаетсяв появленииЭДС индукциив самом проводникепри изменениитока в нем. Примеромявления самоиндукцииявляется опытс двумя лампочками,подключеннымипараллельночерез ключ кисточнику тока,одна из которыхподключаетсячерез катушку(рис. 28). Призамыкании ключалампочка2, включеннаячерез катушку,загораетсяпозже лампочки1. Этопроисходитпотому, чтопосле замыканияключа ток достигаетмаксимальногозначения несразу, магнитноеполе нарастающеготока породитв катушкеиндукционнуюЭДС, котораяв соответствиис правиломЛенца будетмешать нарастаниютока.

Длясамоиндукциивыполняетсяустановленныйопытным путемзакон: ЭДСсамоиндукциипрямо пропорциональнаскорости изменениятока в проводнике.ξ =L ΔI/t.

КоэффициентпропорциональностиL называютиндуктивностью.Индуктивность— это величина,равная ЭДСсамоиндукциипри скоростиизменения токав проводнике1 А/с. Индуктивностьизмеряетсяв генри (Гн).1 Гн = 1 Вс/А.

1 генри— это индуктивностьтакого проводника,в котором возникаетЭДС самоиндукции1 вольт прискорости изменениятока 1 А/с.Индуктивностьхарактеризуетмагнитныесвойстваэлектрическойцепи (проводника),зависит отмагнитнойпроницаемостисреды сердечника,размеров иформы катушкии числа витковв ней.

При отключениикатушки индуктивностиот источникатока лампа,включеннаяпараллельнокатушке, даеткратковременнуювспышку (рис.29). Ток в цепивозникает поддействиемЭДС самоиндукции.Источникомэнергии, выделяющейсяпри этом вэлектрическойцепи, являетсямагнитноеполе катушки.Энергия магнитногополя находитсяпо формуле

W_m== LI²/2.

Энергиямагнитногополя зависитот индуктивностипроводникаи силы тока внем. Эта энергияможет переходитьв энергиюэлектрическогополя. Вихревоеэлектрическоеполе порождаетсяпеременныммагнитнымполем, а переменноеэлектрическоеполе порождаетпеременноемагнитное поле,т. е. переменныеэлектрическоеи магнитноеполя не могутсуществоватьдруг без друга.Их взаимосвязьпозволяетсделать выводо существованииединого электромагнитногополя. Электромагнитноеполе, одно изосновных физическихполей, посредствомкоторогоосуществляетсявзаимодействиеэлектрическизаряженныхчастиц иличастиц, обладающихмагнитныммоментом.Электромагнитноеполе характеризуетсянапряженностьюэлектрическогополя и магнитнойиндукцией.Связь междуэтими величинамии распределениемв пространствеэлектрическихзарядов и токовбыла установленав 60-х годах прошлогостолетия Дж.Максвеллом.Эта связь носитназвание основныхуравненийэлектродинамики,которые описываютэлектромагнитныеявления в различныхсредах и ввакууме. Полученыэти уравнениякак обобщениеустановленныхна опыте законовэлектрическихи магнитныхявлений.

Билет № 19

Свободныеи вынужденныеэлектромагнитныеколебания.Колебательныйконтур и превращениеэнергии приэлектромагнитныхколебаниях.Частота и периодколебаний

Планответа

1.Определение.2.Колебательныйконтур 3.Формула Томпсона.

Электромагнитныеколебания— это колебанияэлектрическихи магнитныхполей, которыесопровождаютсяпериодическимизменениемзаряда, токаи напряжения.Простейшейсистемой, гдемогут возникнутьи существоватьэлектромагнитныеколебания,являетсяколебательныйконтур. Колебательныйконтур —это система,состоящая изкатушки индуктивностии конденсатора(рис. 30, а). Есликонденсаторзарядить изамкнуть накатушку, то покатушке потечетток (рис. 30,б). Когда конденсаторразрядится,ток в цепи непрекратитсяиз-за самоиндукциив катушке.Индукционныйток, в соответствиис правиломЛенца, будеттечь в ту жесторону иперезарядитконденсатор(рис. 30, в). Токв данном направлениипрекратится,и процесс повторитсяв обратномнаправлении(рис. 30, г).Таким образом,в колебательномконтуре будутпроисходитьэлектромагнитныеколебания из-запревращенияэнергии электрическогополя конденсатора(Wэ= = CU²/2)в энергию магнитногополя катушкис током (w_m= LI²/2)и наоборот.

Периодэлектромагнитныхколебаний видеальномколебательномконтуре (т. е.в таком контуре,где нет потерьэнергии) зависитот индуктивностикатушки и емкостиконденсатораи находитсяпо формулеТомпсона Т= 2π√LC.Частота с периодомсвязана обратнопропорциональнойзависимостьюν= 1/Т.

В реальномколебательномконтуре свободныеэлектромагнитныеколебания будутзатухающимииз-за потерьэнергии нанагреваниепроводов. Дляпрактическогопримененияважно получитьнезатухающиеэлектромагнитныеколебания, адля этого необходимоколебательныйконтур пополнятьэлектроэнергией,чтобы скомпенсироватьпотери энергии.Для получениянезатухающихэлектромагнитныхколебанийприменяютгенераторнезатухающихколебаний,который являетсяпримеромавтоколебательнойсистемы.

Билет№2

Взаимодействиетел. Сила. Второйзакон Ньютона

Планответа

Взаимодействиетел. 2. Видывзаимодействия.3. Сила. 4. Силы вмеханике.

Простыенаблюденияи опыты, напримерс тележками(рис. 3), приводятк следующимкачественнымзаключениям:а) тело, на котороедругие телане действуют,сохраняет своюскорость неизменной;

б)ускорение телавозникает поддействиемдругих тел, нозависит и отсамого тела;в) действия телдруг на другавсегда носятхарактервзаимодействия.Эти выводыподтверждаютсяпри наблюденииявлений в природе,технике, космическомпространстветолько в инерциальныхсистемах отсчета.

Взаимодействияотличаютсядруг от другаи количественно,и качественно.Например, ясно,что чем большедеформируетсяпружина, тембольше взаимодействиеее витков. Или,чем ближе дваодноименныхзаряда, темсильнее онибудут притягиваться.В простейшихслучаях взаимодействияколичественнойхарактеристикойявляется сила.Сила — причинаускорения телпо отношениюк инерциальнойсистеме отсчетаили их деформации.Сила — это

векторнаяфизическаявеличина, являющаясямерой ускорения,приобретаемоготелами привзаимодействии.Сила характеризуется:а) модулем; б)точкой приложения;в) направлением.

Единицаизмерения силы— ньютон. 1 ньютон— это сила, котораятелу массой1 кг сообщаетускорение 1 м/св направлениидействия этойсилы, если другиетела на негоне действуют.Равнодействующейнесколькихсил называютсилу, действиекоторой эквивалентнодействию техсил, которыеона заменяет.Равнодействующаяявляется векторнойсуммой всехсил, приложенныхк телу.

R=F1+F2+...+Fn,.

Качественнопо своим свойствамвзаимодействиятакже различны.Например,электрическоеи магнитноевзаимодействиясвязаны с наличиемзарядов у частицлибо с движениемзаряженныхчастиц. Наиболеепросто рассчитатьсилы в электродинамике:сила Ампера— F= IlBsina,сила Лоренца— F=qvBsin a., кулоновскаясила — F =q₁q₂/r²;и гравитационныесилы: законвсемирноготяготения—F= Gm₁m₂/r².Такие механическиесилы, как

силаупругости исила трения,возникают врезультатеэлектромагнитноговзаимодействия.Для их расчетанеобходимоиспользоватьформулы:.Fynp = -kx(законГука), Fтр= MN— силатрения.

Наоснованииопытных данныхбыли сформулированызаконы Ньютона.Второй законНьютона. Ускорение,с которым движетсятело, прямопропорциональноравнодействующейвсех сил, действующихна тело, обратнопропорциональноего массеи направленотак же, как иравнодействующаясила:а =F/m.

Длярешения задачзакон частозаписываютв виде:F= та.

Билет № 20

Электромагнитныеволны и

ихсвойства. Принципырадиосвязии

примерыих практического

использования

Планответа

1.Определение.2. Условиевозникновения.3. Свойстваэлектромагнитныхволн. 4. Открытыйколебательныйконтур. 5.Модуляция идетектирование.

Английскийученый ДжеймсМаксвелл наоснованииизученияэкспериментальныхработ Фарадеяпо электричествувысказал гипотезуо существованиив природе особыхволн, способныхраспространятьсяв вакууме.

Эти волныМаксвелл назвалэлектромагнитнымиволнами. ПопредставлениямМаксвелла:при любомизмененииэлектрическогополя возникаетвихревое магнитноеполе и, наоборот,при любомизменениимагнитногополя возникаетвихревоеэлектрическоеполе. Однаждыначавшийсяпроцесс взаимногопорождениямагнитногои электрическогополей долженнепрерывнопродолжатьсяи захватыватьвсе новые иновые областив окружающемпространстве(рис. 31). Процессвзаимопорожденияэлектрическихи магнитныхполей происходитво взаимноперпендикулярныхплоскостях.Переменноеэлектрическоеполе порождаетвихревое магнитноеполе, переменноемагнитное полепорождаетвихревоеэлектрическоеполе.

Электрическиеи магнитныеполя могутсуществоватьне только ввеществе, нои в вакууме.Поэтому должнобыть возможнымраспространениеэлектромагнитныхволн в вакууме.

Условиемвозникновенияэлектромагнитныхволн являетсяускоренноедвижениеэлектрическихзарядов. Так,изменениемагнитногополя происходитпри изменениитока в проводнике,а изменениетока происходитпри изменениискорости зарядов,т. е. при движенииих с ускорением.Скоростьраспространенияэлектромагнитныхволн в вакуумепо расчетамМаксвелладолжна бытьприблизительноравна 300 000км/с.

Впервыеопытным путемполучил электромагнитныеволны физикГенрих Герц,использовавприэтом высокочастотныйискровой разрядник(вибратор Герца).Герц опытнымпутем определилтакже скоростьэлектромагнитныхволн. Она совпалас теоретическимопределениемскорости волнМаксвеллом.Простейшиеэлектромагнитныеволны — этоволны, в которыхэлектрическоеи магнитноеполя совершаютсинхронныегармоническиеколебания.

Конечно,электромагнитныеволны обладаютвсеми основнымисвойствамиволн.

Ониподчиняютсязакону отраженияволн:

уголпадения равенуглу отражения.При переходеиз одной средыв другую преломляютсяи подчиняютсязакону преломленияволн: отношениесинуса углападения к синусуугла преломленияесть величинапостояннаядля двух данныхсред и равнаяотношениюскоростиэлектромагнитныхволн в первойсреде к скоростиэлектромагнитныхволн во второйсреде и называетсяпоказателемпреломлениявторой средыотносительнопервой.

Я

влениедифракцииэлектромагнитныхволн, т. е. отклонениенаправленияих распространенияот прямолинейного,наблюдаетсяу края преградыили при прохождениичерез отверстие.Электромагнитныеволны способнык интерференции.Интерференция— это способностькогерентныхволн к наложению,в результатечего волны водних местахдруг другаусиливают, ав других местах— гасят. (Когерентныеволны — этоволны, одинаковыепо частоте ифазе колебания.)Электромагнитныеволны обладаютдисперсией,т. е. когда показательпреломлениясреды дляэлектромагнитныхволн зависитот их частоты.Опыты с пропусканиемэлектромагнитныхволн черезсистему из двухрешеток показывают,что эти волныявляются поперечными.

Прираспространенииэлектромагнитнойволны векторынапряженностиЕ и магнитнойиндукции Вперпендикулярнынаправлениюраспространенияволны и взаимноперпендикулярнымежду собой(рис. 32).

Возможностьпрактическогопримененияэлектромагнитныхволн для установлениясвязи без проводовпродемонстрировал7 мая 1895 г.русский физикА. Попов. Этотдень считаетсяднем рождениярадио. Дляосуществлениярадиосвязинеобходимообеспечитьвозможностьизлученияэлектромагнитныхволн. Еслиэлектромагнитныеволны возникаютв контуре изкатушки иконденсатора,то переменноемагнитное полеоказываетсясвязанным скатушкой, апеременноеэлектрическоеполе —сосредоточенныммежду пластинамиконденсатора.Такой контурназываетсязакрытым (рис.33, а). Закрытыйколебательныйконтур практическине излучаетэлектромагнитныеволны в окружающеепространство.Если контурсостоит изкатушки и двухпластин плоскогоконденсатора,то под чем большимуглом развернутыэти пластины,тем более свободновыходит электромагнитноеполе в окружающеепространство(рис. 33, б).Предельнымслучаем раскрытогоколебательногоконтура являетсяудаление пластинна противоположныеконцы катушки.Такая системаназываетсяоткрытымколебательнымконтуром (рис.33, в). В действительностиконтур состоитиз катушки идлинного провода— антенны.

Энергияизлучаемых(при помощигенераторанезатухающихколебаний)электромагнитныхколебанийпри одинаковойамплитудеколебаний силытока в антеннепропорциональначетвертойстепени частотыколебаний. Начастотах вдесятки, сотнии даже тысячигерц интенсивностьэлектромагнитныхколебанийничтожно мала.Поэтому дляосуществлениярадио- и телевизионнойсвязи используютсяэлектромагнитныеволны с частотойот несколькихсотен тысячгерц до сотенмегагерц.

При передачепо радио речи,музыки и другихзвуковых сигналовприменяютразличные видымодуляциивысокочастотных(несущих) колебаний.Суть модуляциизаключаетсяв том, что высокочастотныеколебания,вырабатываемыегенератором,изменяют позакону низкойчастоты. В этоми заключаетсяодин из принциповрадиопередачи.Другим принципомявляется обратныйпроцесс —детектирование.При радиоприемеиз принятогоантенной приемникамодулированногосигнала нужноотфильтроватьзвуковыенизкочастотныеколебания.

С помощьюрадиоволносуществляетсяпередача нарасстояниене только звуковыхсигналов, нои изображенияпредмета. Большуюроль в современномморском флоте,авиации икосмонавтикеиграет радиолокация.В основе радиолокациилежит свойствоотражения волнот проводящихтел. (От поверхностидиэлектрикаэлектромагнитныеволны отражаютсяслабо, а отповерхностиметаллов почтиполностью.)

Билет №21

Волновыесвойства света.Электромагнитнаятеория света

Планответа

1.Законы преломленияи отражениясвета. 2.Интерференцияи ее применение.3. Дифракция.4.Дисперсия.5. Поляризация.6.Корпускулярно-волновойдуализм.

Свет— этоэлектромагнитныеволны в интервалечастот63 • 10¹⁴- 8 • 10¹⁴Гц, воспринимаемыхчеловеческимглазом, т. е. длинволн в интервале380- 770нм.

Светуприсущи всесвойстваэлектромагнитныхволн: отражение,преломление,интерференция,дифракция,поляризация.Свет можетоказыватьдавление навещество, поглощатьсясредой, вызыватьявление фотоэффекта.Имеет конечнуюскоростьраспространенияв вакууме300 000 км/с,а в среде скоростьубывает.

Наиболеенаглядно волновыесвойства светаобнаруживаютсяв явленияхинтерференциии дифракции.Интерференциейсветаназываютпространственноеперераспределениесветовогопотока приналожениидвух (или нескольких)когерентныхсветовых волн,в результатечего в однихместах возникаютмаксимумы, ав других минимумыинтенсивности(интерференционнаякартина). Интерференциейсвета объясняетсяокраска мыльныхпузырей и тонкихмасляных пленокна воде, хотямыльный раствори масло бесцветны.Световые волнычастично отражаютсяот поверхноститонкой пленки,частично проходятв нее. На второйгранице пленкивновь происходитчастичноеотражение волны(рис.34). Световыеволны, отраженныедвумя поверхностямитонкой пленки,распространяютсяв одном направлении,но проходятразные пути.При разностиходаI,кратной целомучислу длин волнl= 2kλ/2.

При разностихода, кратнойнечетному числуполуволн l= (2k+ 1)λ/2, наблюдаетсяинтерференционныйминимум. Когдавыполняетсяусловие максимумадля одной длинысветовой волны,то оно не выполняетсядля другихволн. Поэтомуосвещеннаябелым светомтонкая цветнаяпрозрачнаяпленка кажетсяокрашенной.Явление интерференциив тонких пленкахприменяетсядля контролякачества обработкиповерхностейпросветленияоптики. Припрохождениисвета черезмалое круглоеотверстие наэкране вокругцентральногосветлого пятнанаблюдаютсячередующиесятемные и светлыекольца; еслисвет проходитчерез узкующель, то получаетсякартина изчередующихсясветлых и темныхполос.

Явлениеотклонениясвета от прямолинейногонаправленияраспространенияпри прохожденииу края преградыназываютдифракциейсвета.Дифракцияобъясняетсятем, что световыеволны, приходящиев результатеотклоненияиз разных точекотверстияв одну точкуна экране,интерферируютмежду собой.Дифракция светаиспользуетсяв спектральныхприборах, основнымэлементом вкоторых являетсядифракционнаярешетка.Дифракционнаярешеткапредставляетсобой прозрачнуюпластинку снанесеннойна ней системойпараллельныхнепрозрачныхполос, расположенныхна одинаковыхрасстоянияхдруг от друга.

П

устьна решетку(рис.35) падаетмонохроматический(определеннойдлины волны)свет. В результатедифракции накаждой щелисвет распространяетсяне только впервоначальномнаправлении,

но и повсем другимнаправлениям.Если за решеткойпоставитьсобирающуюлинзу, то наэкране в фокальнойплоскости вселучи будутсобиратьсяв одну полоску.

Параллельныелучи, идущиеот краев соседнихщелей, имеютразность хода l=dsinφ, гдеd— постояннаярешетки— расстояниемежду соответствующимикраями соседнихщелей, называемоепериодомрешетки,(φ —угол отклонениясветовых лучейот перпендикулярак плоскостирешетки. Приразности хода,равной целомучислу длин волнdsinφ = kλ,наблюдаетсяинтерференционныймаксимум дляданной длиныволны. Условиеинтерференционногомаксимумавыполняетсядля каждойдлины волныпри своем значениидифракционногоугла φ. В результатепри прохождениичерез дифракционнуюрешетку пучокбелого светаразлагаетсяв спектр. Уголдифракции имеетнаибольшеезначение длякрасного света,так как длинаволны красногосвета большевсех остальныхв области видимогосвета. Наименьшеезначение угладифракции дляфиолетовогосвета.

Опытпоказывает,что интенсивностьсветовогопучка, проходящегочерез некоторыекристаллы,например,исландскогошпата, зависитот взаимнойориентациидвух кристаллов.При одинаковойориентациикристалловсвет проходитчерез второйкристалл безослабления.

Если жевторой кристаллповернут на90°, тосвет через негоне проходит.Происходитявлениеполяризации,т. е. кристаллпропускаеттолько такиеволны, в которыхколебаниявектора напряженностиэлектрическогополя совершаютсяв одной плоскости,плоскостиполяризации.Явление поляризациидоказываетволновую природусвета и поперечностьсветовых волн.

Узкийпараллельныйпучок белогосвета при прохождениичерез стекляннуюпризму разлагаетсяна пучки светаразного цвета,при этом наибольшееотклонениек основаниюпризмы имеютлучи фиолетовогоцвета. Объясняетсяразложениебелого светатем, что белыйсвет состоитиз электромагнитныхволн с разнойдлиной волны,а показательпреломлениясвета зависитот длины еговолны. Показательпреломлениясвязан со скоростьюсвета в среде,следовательно,скорость светав среде зависитот длины волны.Это явлениеи называютдисперсиейсвета.

На основаниисовпаденияэкспериментальноизмеренногозначения скоростиэлектромагнитныхволн Максвеллвысказалпредположение,что свет—этоэлектромагнитнаяволна. Эта гипотезаподтвержденасвойствами,которыми обладаетсвет.

Билет №22

Опыты Резерфордапо рассеянию α-частиц. Ядернаямодель атома

Планответа

1.Опыты Резерфорда.2. Ядернаямодель атома.

Слово«атом» в переводес греческогоозначает «неделимый».Под атомомдолгое время,вплоть до началаXX в.,подразумевалимельчайшиенеделимыечастицы вещества.К началуXX в.в наукенакопилосьмного фактов,говорившихо сложном строенииатомов.

Большиеуспехи в исследованиистроения атомовбыли достигнутыв опытах английскогоученого ЭрнестаРезерфордапо рассеяниюа- частиц припрохождениичерез тонкиеслои вещества.В этих опытахузкий пучокα-частиц,испускаемыхрадиоактивнымвеществом,направлялсяна тонкую золотуюфольгу. За фольгойпомещалсяэкран, способныйсветиться подударами быстрыхчастиц. Былообнаружено,что большинствоα-частицотклоняетсяот прямолинейногораспространенияпосле прохожденияфольги, т. е.рассеивается,а некоторыеα-частицывообще отбрасываютсяназад. Рассеяниеα-частицРезерфордобъяснил тем,что положительныйзарядне распределенравномернов шаре радиусом10^-10м, как предполагалиранее, а сосредоточенв центральнойчасти атома— атомномядре. При прохожденииоколо ядраα-частица,имеющая положительныйзаряд, отталкиваетсяот него, а припопаданиив ядро—отбрасываетсяв противоположномнаправлении.Так ведут себячастицы, имеющиеодинаковыйзаряд, следовательно,существуетцентральнаяположительнозаряженнаячасть атома,в которойсосредоточеназначительнаямасса атома.Расчеты показали,что для объясненияопытов нужнопринять радиусатомного ядраравным примерно10^-15μ.

Резерфордпредположил,что атом устроенподобно планетарнойсистеме. Сутьмодели строенияатома по Резерфордузаключаетсяв следующем:в центре атоманаходитсяположительнозаряженноеядро, в которомсосредоточенався масса, вокругядра по круговыморбитам набольших расстоянияхвращаютсяэлектроны (какпланеты вокругСолнца). Зарядядра совпадаетс номером химическогоэлемента втаблице Менделеева.

Планетарнаямодель строенияатома по Резерфордуне смогла объяснитьряд известныхфактов:

электрон,имеющий заряд,должен за счеткулоновскихсил притяженияупасть на ядро,а атом— этоустойчиваясистема; придвижении покруговой орбите,приближаяськ ядру, электронв атоме долженизлучатьэлектромагнитныеволны всевозможныхчастот, т. е.излучаемыйсвет должениметь непрерывныйспектр, на практикеже получаетсяиное:

электроныатомов излучаютсвет, имеющийлинейчатыйспектр. Разрешитьпротиворечияпланетарнойядерной моделистроения атомапервым попыталсядатский физикНильс Бор.

Билет№23

Квантовыепостулаты Бора. Испусканиеи поглощениесвета атомами.Спектральныйанализ

Планответа

1.Первый постулат.2. Второйпостулат.3. Видыспектров.

В основусвоей теорииБор положилдва постулата.Первый постулат:атомная системаможет находитьсятолько в особыхстационарныхили квантовыхсостояниях,каждому изкоторых соответствуетсвоя энергия;в стационарномсостоянии атомне излучает.

Это означает,что электрон(например, ватоме водорода)может находитьсяна несколькихвполне определенныхорбитах. Каждойорбите электронасоответствуетвполне определеннаяэнергия.

Второйпостулат:при переходеиз одногостационарногосостояния вдругое испускаетсяили поглощаетсяквант электромагнитногоизлучения.Энергияфотона равнаразности энергийатома в двухсостояниях:hv= Е_m–Ε_n;h= 6,62 •10^-34Дж• с,где h— постояннаяПланка.

При переходеэлектрона сближней орбитына более удаленную,атомная системапоглощает квантэнергии. Припереходе сболее удаленнойорбиты электронана ближнююорбиту по отношениюк ядру атомнаясистема излучаетквант энергии.

ТеорияБора позволилаобъяснитьсуществованиелинейчатыхспектров.

Спектризлучения(или поглощения)— этонабор волнопределенныхчастот, которыеизлучает (илипоглощает) атомданного вещества.

Спектрыбывают сплошные,линейчатыеи полосатые.

Сплошныеспектрыизлучают всевещества, находящиесяв твердом илижидком состоянии.Сплошной спектрсодержит волнывсех частотвидимого светаи поэтому выглядиткак цветнаяполоса с плавнымпереходом отодного цветак другому втаком порядке:Красный, Оранжевый,Желтый, Зеленый,Синий и Фиолетовый(Каждый Охотник Желает Знать,где Сидит Фазан).

Линейчатыеспектрыизлучают всевещества ватомарномсостоянии.Атомы всехвеществ излучаютсвойственныетолько им наборыволн вполнеопределенныхчастот. Как укаждого человекасвои личныеотпечаткипальцев, таки у атома данноговещества свой,характерныйтолько емуспектр. Линейчатыеспектры излучениявыглядят какцветные линии,разделенныепромежутками.Природа линейчатыхспектров объясняетсятем, что у атомовконкретноговещества существуюттолько емусвойственныестационарныесостояния сосвоей характернойэнергией, аследовательно,и свой наборпар энергетическихуровней, которыеможет менятьатом, т. е. электронв атоме можетпереходитьтолько с однихопределенныхорбит на другие,вполне определенныеорбиты дляданного химическоговещества.

Полосатыеспектрыизлучаютсямолекулами.Выглядят полосатыеспектры подобнолинейчатым,только вместоотдельных линийнаблюдаютсяотдельныесерии линий,воспринимаемыекак отдельныеполосы.

Характернымявляется то,что какой спектризлучаетсяданными атомами,такой же ипоглощается,т. е. спектрыизлучения понабору излучаемыхчастот совпадаютсо спектрамипоглощения.Посколькуатомам разныхвеществ соответствуютсвойственныетолькоимспектры, тосуществуетспособ определенияхимическогосостава веществаметодом изученияего спектров.Этот способназываетсяспектральныманализом.Спектральныйанализ применяетсядля определенияхимическогосостава ископаемыхруд при добычеполезных ископаемых,для определенияхимическогосостава звезд,атмосфер,планет; являетсяосновным методомконтроля состававещества вметаллургиии машиностроении.

Билет№24

Фотоэффекти его законы.УравнениеЭйнштейна дляфотоэффектаи постояннаяПланка. Применениефотоэффектав технике

Плавответа

1.Гипотеза Планка.2. Определениефотоэффекта.3. Законыфотоэффекта.4. УравнениеЭйнштейна.5. Применениефотоэффекта.

В1900 г.немецкий физикМакс Планквысказалгипотезу: светизлучаетсяи поглощаетсяотдельнымипорциями— квантами(или фотонами).Энергия каждогофотона определяетсяформулой Е= hν,где h—постояннаяПланка, равная 6,63 •10^-34Дж• с, ν— частота света.Гипотеза Планкаобъясниламногие явления:в частности,явление фотоэффекта,открытогов1887 г.немецким ученымГенрихом Герцеми изученногоэкспериментальнорусским ученымА. Г. Столетовым.

Фотоэффект— этоявление испусканияэлектроноввеществом поддействиемсвета.

В результатеисследованийбыли установленытри законафотоэффекта.

1.Сила тока насыщенияпрямо пропорциональнаинтенсивностисветовогоизлучения,падающегона поверхностьтела.

2.Максимальнаякинетическаяэнергия фотоэлектроновлинейно возрастаетс частотойсвета и зависитот его интенсивности.

3.Если частотасвета меньшенекоторойопределеннойдля данноговещества минимальнойчастоты, тофотоэффектне происходит.

Зависимостьфототока отнапряженияпоказана нарисунке36.

Теориюфотоэффектасоздал немецкийученый А. Эйнштейнв1905 г. Воснове теорииЭйнштейна лежитпонятие работывыхода электроновиз металла ипонятие о квантовомизлучениисвета. По теорииЭйнштейнафотоэффектимеет следующееобъяснение:поглощая квантсвета, электронприобретаетэнергию hv.При вылете изметалла энергиякаждого электронауменьшаетсяна определеннуювеличину, которуюназываютработой выхода(А_вых).Работа выхода— эторабота, которуюнеобходимозатратить,чтобы удалитьэлектрон изметалла. Максимальнаяэнергия электроновпосле вылета(если нет другихпотерь) имеетвид:mv²/2= hv— А_вых,Это уравнениеносит названиеуравненияЭйнштейна.

ЕслиhνА_выхто фотоэффектне происходит.Значит, краснаяграница фотоэффектаравна ν_min=А_вых/h

Приборы,в основе принципадействия которыхлежит явлениефотоэффекта,называютфотоэлементами.Простейшимтаким приборомявляется вакуумныйфотоэлемент.Недостаткамитакого фотоэлементаявляются: слабыйток, малаячувствительностьк длинноволновомуизлучению,сложность визготовлении,невозможностьиспользованияв цепях переменноготока. Применяетсяв фотометриидля измерениясилы света,яркости, освещенности,в кино длявоспроизведениязвука, в фототелеграфахи фототелефонах,в управлениипроизводственнымипроцессами.

Существуютполупроводниковыефотоэлементы,в которых поддействием светапроисходитизменениеконцентрацииносителей тока.Онииспользуютсяпри автоматическомуправленииэлектрическимицепями (например,в турникетахметро), в цепяхпеременноготока, в качественевозобновляемыхисточниковтока в часах,микрокалькуляторах,проходятиспытанияпервые солнечныеавтомобили,используютсяв солнечныхбатареях наискусственныхспутникахЗемли, межпланетныхи орбитальныхавтоматическихстанциях.

С явлениемфотоэффектасвязаны фотохимическиепроцессы, протекающиепод действиемсвета в фотографическихматериалах.

Билет№25

Составядра атома.Изотопы. Энергиясвязи ядраатома. Цепнаяядерная реакция,условия ееосуществления.Термоядерныереакции

Планответа

1.Открытие нейтрона.2. Составядра атома. 3.Изотопы.4. Дефектмассы.5. Энергиясвязи атомногоядра.6. Ядерныереакции.7. Цепнаяядерная реакция.8. Термоядерныереакции.

В1932 г.английскийфизик ДжеймсЧедвик открылчастицы с нулевымэлектрическимзарядом и единичноймассой. Этичастицы назвалинейтронами.Обозначаетсянейтрон п.После открытиянейтрона физикиД. Д. Иваненкои Вернер Гейзенбергв 1932г. выдвинулипротонно-нейтроннуюмодель атомногоядра. Согласноэтой моделиядро атомалюбого веществасостоит изпротонов инейтронов.(Общее названиепротонов инейтронов— нуклоны.)Число протоновравно зарядуядра и совпадаетс номеромэлемента втаблице Менделеева.Сумма числапротонов инейтронов равнамассовомучислу. Например,ядро атомакислорода ¹⁶₈Oсостоит из8 протонови 16 - 8 = 8нейтронов. Ядроатома ²³⁵₉₂Uсостоит из92 протонови 235- 92 = 143нейтронов.

Химическиевещества, занимающиеодно и то жеместо в таблицеМенделеева,но имеющиеразную атомнуюмассу, называютсяизотопами.Ядра изото-повотличаютсячислом нейтронов.Например, водородимеет три изотопа:протий— ядросостоит изодного протона,дейтерий— ядросостоит изодного протонаи одного нейтрона,тритий— ядросостоит изодного протонаи двух нейтронов.

Еслисравнить массыядер с массаминуклонов, тоокажется, чтомасса ядратяжелых элементовбольше суммымасс протонови нейтроновв ядре, а длялегких элементовмасса ядраменьше суммымасс протонови нейтроновв ядре. Следовательно,существуетразность массмежду массойядра и суммоймасс протонови нейтронов,называемаядефектом массы.М =Μ_я- (M_p+ Μ_n).

Таккак между массойи энергиейсуществуетсвязь Е= mc²,то при делениитяжелых ядери при синтезелегких ядердолжна выделятьсяэнергия, существующаяиз-за дефектамасс, и эта энергияназываетсяэнергией связиатомного ядра.Е_св= Мс².

Выделениеэтой энергииможет происходитьпри ядерныхреакциях.

Ядернаяреакция— этопроцесс изменениязаряда ядраи его массы,происходящийпри взаимодействииядра с другимиядрами илиэлементарнымичастицами. Припротеканииядерных реакцийвыполняютсязаконы сохраненияэлектрическихзарядов имассовых чисел:суммазарядов (массовыхчисел) ядери частиц, вступающихв ядерную реакцию,равна суммезарядов (массовыхчисел) конечныхпродуктов(ядер и частиц)реакции.

Цепнаяреакция деления— этоядерная реакция,в которой частицы,вызывающиереакцию, образуютсякак продуктыэтой реакции.Необходимымусловием дляразвития цепнойреакции деленияявляется требованиеk> 1, гдеk-— коэффициентразмножениянейтронов, т.е. отношениечисла нейтроновв данном поколениик их числу впредыдущемпоколении.Способностьюк цепной ядернойреакции обладаетизотоп урана²³⁵U.При наличииопределенныхкритическихпараметров(критическаямасса— 50 кг,шаровая формарадиусом 9см) три нейтрона,выделившиесяпри делениипервого ядрапопадают в трисоседних, ядраи т. д. Процессидет в видецепной реакции,которая протекаетза доли секундыв виде ядерноговзрыва. Неуправляемаяядерная реакцияприменяетсяв атомных бомбах.Впервые решилзадачу об управлениицепной реакциейделения ядерфизик ЭнрикоФерми. Им былизобретенядерный реакторв1942 г. Унас в странереактор былзапущен в1946 г. подруководствомИ. В. Курчатова.

Термоядерныереакции— этореакции синтезалегких ядер,происходящиепри высокойтемпературе(примерно 10⁷К и выше). Необходимыеусловия длясинтеза ядергелия из протоновимеются в недрахзвезд. На Землетермоядернаяреакция осуществленатолько приэкспериментальныхвзрывах, хотяведутся международныеисследованияпо управлениюэтой реакцией.

Билет3

Импульстела. Законсохранения импульса вприроде и технике

Планответа

1. Импульстела. 2. Законсохраненияимпульса. 3.Применениезакона сохраненияимпульса. 4.Реактивноедвижение.

Простыенаблюденияи опыты доказывают,что покой идвижениеотносительны,скорость телазависит отвыбора системыотсчета; повторому законуНьютона, независимоот того, находилосьли тело в покоеили двигалось,изменениескорости егодвижения можетпроисходитьтолько придействии силы,т. е. в результатевзаимодействияс другими телами.Однако существуютвеличины, которыемогут сохранятьсяпри взаимодействиител. Такимивеличинамиявляются энергияи импульс.

Импульсомтела называютвекторнуюфизическуювеличину, являющуюсяколичественнойхарактеристикойпоступательногодвижения тел.Импульс обозначаетсяр. ЕдиницаизмеренияимпульсаР —кг • м/с. Импульстела равенпроизведениюмассы телана его скорость:р =mv. Направлениевектора импульсар совпадаетс направлениемвектора скороститела v(рис. 4).

Рис. 4

Для импульсател выполняетсязакон сохранения,который справедливтолько длязамкнутыхфизическихсистем. В общемслучае замкнутойназываютсистему, котораяне обмениваетсяэнергией имассой с теламии полями, невходящими внее. В механикезамкнутойназывают систему,на которуюне действуютвнешние силыили действиеэтих сил скомпенсировано.В этом случаер₁= р₂где р₁— начальныйимпульс системы,а р₂— конечный.В случае двухтел, входящихв систему, этовыражениеимеет вид m₁v₁+ т₂v₂= m₁v₁'+ т₂v₂'где т₁и т₂— массытел, а v₁и v₂, —скорости довзаимодействия,v₁' иv₂'— скоростипосле взаимодействия.Эта формулаи являетсяматематическимвыражениемзакона сохраненияимпульса:импульс замкнутойфизическойсистемы сохраняетсяпри любыхвзаимодействиях,происходящихвнутри этойсистемы.

Другимисловами: взамкнутойфизическойсистеме геометрическаясумма импульсовтел до взаимодействияравна геометрическойсумме импульсовэтих тел послевзаимодействия.В случае незамкнутойсистемы импульстел системыне сохраняется.Однако, еслив системе существуетнаправление,по которомувнешние силыне действуютили их действиескомпенсировано,то сохраняетсяпроекция импульсана это направление.Кроме того,если времявзаимодействиямало (выстрел,взрыв, удар),то за это времядаже в случаенезамкнутойсистемы внешниесилы незначительноизменяют импульсывзаимодействующихтел. Поэтомудля практическихрасчетов в этомслучае тожеможно применятьзакон сохраненияимпульса.

Экспериментальныеисследованиявзаимодействийразличных тел— от планет извезд до атомови элементарныхчастиц — показали,что в любойсистемевзаимодействующихтел при отсутствиидействия состороны другихтел, не входящихв систему илиравенстве нулюсуммы действующихсил, геометрическаясумма импульсовтел действительноостается неизменной.

В механикезакон сохраненияимпульса изаконы Ньютонасвязаны междусобой. Если натело массойт втечение времениtдействует силаи скоростьего движенияизменяетсяот v₀до v, тоускорениедвижения aтела равно a= (v - v₀)/t.На основаниивторого законаНьютона длясилы Fможно записатьF = та =m(v - v₀)/t,отсюда следуетFt = mv -mv₀.

Ft— векторнаяфизическаявеличина,характеризующаядействие натело силы занекоторыйпромежутоквремени и равнаяпроизведениюсилы на времяt еедействия, называетсяимпульсом силы.

Единицаимпульсав СИ — Н • с.

Закон сохраненияимпульса лежитв основе реактивногодвижения.Реактивноедвижение— это такоедвижение тела,которое возникаетпосле отделенияот тела егочасти.

Пусть теломассой тпокоилось. Оттела отделиласькакая-то егочасть т₁со скоростьюv₁.Тогда

оставшаясячасть придетв движение впротивоположнуюсторону соскоростью v₂,масса оставшейсячасти т₂Действительно,сумма импульсовобоихчастейтела до отделениябыла равна нулюи после разделениябудет равнанулю:

т₁v₁+m₂v₂= 0, отсюда v₁=-m₂v₂/m₁.

Большаязаслуга в развитиитеории реактивногодвижения принадлежитК. Э. Циолковскому.

Он разработалтеорию полетатела переменноймассы (ракеты)в однородномполе тяготенияи рассчиталзапасы топлива,необходимыедля преодолениясилы земногопритяжения;основы теориижидкостногореактивногодвигателя, атак же элементыего конструкции;теорию многоступенчатыхракет, причемпредложил дваварианта:параллельный(несколькореактивныхдвигателейработаютодновременно)и последовательный(реактивныедвигателиработают другза другом). К.Э. Циолковскийстрого научнодоказал возможностьполета в космосс помощью ракетс жидкостнымреактивнымдвигателем,предложилспециальныетраекториипосадки космическихаппаратов наЗемлю, выдвинулидею созданиямежпланетныхорбитальныхстанций и подробнорассмотрелусловия жизнии жизнеобеспеченияна них. Техническиеидеи Циолковскогонаходят применениепри созданиисовременнойракетно-космическойтехники. Движениес помощью реактивнойструи, по законусохраненияимпульса, лежитв основе гидрореактивногодвигателя. Воснове движениямногих морскихмоллюсков(осьминогов,медуз, кальмаров,каракатиц)также лежитреактивныйпринцип.

Билет№4

Закон всемирноготяготения. Силатяжести. Вестела. Невесомость

Планответа

1.Силы гравитации.2. Закон всемирноготяготения.3. Физическийсмысл гравитационнойпостоянной.4. Сила тяжести.5. Вес тела, перегрузки.6. Невесомость.

ИсаакНьютон выдвинулпредположение,что между любымителами в природесуществуютсилы взаимногопритяжения.Эти силы называютсилами гравитации,или силамивсемирноготяготения.Сила всемирноготяготенияпроявляетсяв Космосе, Солнечнойсистеме и наЗемле. Ньютонобобщил законыдвижения небесныхтел и выяснил,что F= G(m₁*m₂)/R², гдеG— коэффициентпропорциональности,называетсягравитационнойпостоянной.Численноезначениегравитационнойпостояннойопытным путемопределилКавендиш, измеряясилу взаимодействиямежду свинцовымишарами. В результатезакон всемирноготяготениязвучит так:между любымиматериальнымиточками существуетсила взаимногопритяжения,прямо пропорциональнаяпроизведениюих масс и обратнопропорциональнаяквадрату расстояниямежду ними,действующаяпо линии, соединяющейэти точки.

Физическийсмысл гравитационнойпостояннойвытекает иззакона всемирноготяготения. Еслиm₁ =m₂= 1 кг, R= 1 м, то G = F,т. е. гравитационнаяпостояннаяравна силе, скоторой притягиваютсядва тела по 1кг на расстоянии1 м. Численноезначение: G =6,67 • 10^-11Н • м²/кг².Силы всемирноготяготениядействуют междулюбыми теламив природе, ноощутимыми онистановятсяпри большихмассах (илихотя бы массаодного из телвелика). Законже всемирноготяготениявыполняетсятолько дляматериальныхточек и шаров(в этом случаеза расстояниепринимаетсярасстояниемежду центрамишаров).

Ч

астнымвидом силывсемирноготяготенияявляется силапритяжениятел к Земле(или к другойпланете). Этусилу называютсилой тяжести.Под действиемэтой силы всетела приобретаютускорениесвободногопадения. Всоответствиисо вторым закономНьютонаg= f_т/m,следовательно,f_т= mg.Силатяжестивсегда направленак центру Земли.В зависимостиот высотыhнад поверхностьюЗемли и географическойшироты положениятела ускорениесвободногопадения приобретаетразличныезначения. НаповерхностиЗемли и в среднихширотах ускорениесвободногопадения равно9,831 м/с².

В техникеи быту широкоиспользуетсяпонятие весатела. Весомтела называютсилу, с которойтело давит наопору или подвесв результатегравитационногопритяженияк планете (рис.5). Вес тела обозначаетсяР. Единицаизмерения веса— 1 Н. Так как весравен силе, скоторой телодействует наопору, то всоответствиис третьим закономНьютона повеличине вестела равен силереакции опоры.Поэтому, чтобынайти вес тела,необходимонайти, чемуравна силареакции опоры.

Рассмотримслучай, когдатело вместес опорой недвижется. Вэтом случаесила реакцииопоры, а следовательно,и вес тела равенсиле тяжести(рис. 6):р = N = mg.

Вслучае движениятела вертикальновверх вместес опорой сускорением,по второмузакону Ньютона,можно записатьmg+ N = та(рис. 7, а).

В проекциина осьOX: -mg +N = та, отсюдаN =m(g+ а).

Следовательно,при движениивертикальновверх с ускорениемвес тела увеличиваетсяи находитсяпо формуле Р= m(g+ а).

Увеличениевеса тела, вызванноеускореннымдвижением опорыили подвеса,называютперегрузкой.Действие перегрузкииспытываютна себе космонавтыкак при взлетекосмическойракеты, так ипри торможениикорабля привходе в плотныеслои атмосферы.Испытываютперегрузкии летчики привыполнениифигур высшегопилотажа, иводители автомобилейпри резкомторможении.

Еслитело движетсяВниз по вертикали,то с помощьюаналогичныхрассужденийполучаемmg +

+N= та; mg -N= та; N =m(g -а); Р =m(g - а), т.е. вес при движениипо вертикалис ускорениембудет меньшесилы тяжести.

Еслитело свободнопадает, в этомслучае Р= (g- g)m= 0.

Состояниетела, в которомего вес равеннулю, называютневесомостью.Состояниеневесомостинаблюдаетсяв самолете иликосмическомкорабле придвижении сускорениемсвободногопадения независимоот направленияи значенияскорости ихдвижения. Запределамиземной атмосферыпри выключенииреактивныхдвигателейна космическийкорабль действуеттолько силавсемирноготяготения. Поддействием этойсилы космическийкорабль и всетела, находящиесяв нем, движутсяс одинаковымускорением,поэтому в корабленаблюдаетсясостояниеневесомости.

Билет5

Превращениеэнергии примеханическихколебаниях.Свободные ивынужденныеколебания.Резонанс

Планответа

1. Определение колебательного движения. 2.Свободныеколебания. 3.Превращенияэнергии. 4. Вынужденныеколебания.

М

еханическимиколебанияминазывают движениятела, повторяющиесяточно илиприблизительночерез одинаковыепромежуткивремени. Основнымихарактеристикамимеханическихколебанийявляются: смещение,амплитуда,частота, период.Смещение —это отклонениеот положенияравновесия.Амплитуда —модуль максимальногоотклоненияот положенияравновесия.Частота — числополных колебаний,совершаемыхв единицу времени.Период — времяодного полногоколебания, т.е. минимальныйпромежутоквремени, черезкоторый происходитповторениепроцесса. Периоди частота связанысоотношением:v = 1/T.

Простейшийвид колебательногодвижения —гармоническиеколебания,при которыхколеблющаясявеличина изменяетсясо временемпо закону синусаили косинуса(рис. 8).

С

вободными— называютколебания,которые совершаютсяза счет первоначальносообщеннойэнергии припоследующемотсутствиивнешних воздействийна систему,совершающуюколебания.Например,колебания грузана нити (рис.9).

Рассмотримпроцесс превращенияэнергии напримере колебанийгруза на нити(см. рис. 9).

При отклонениимаятника отположенияравновесияон поднимаетсяна высотуh относительнонулевого уровня,следовательно,в точке А маятникобладаетпотенциальнойэнергиейmgh. Придвижении кположениюравновесия,к точке О, уменьшаетсявысота до нуля,а скоростьгруза увеличивается,и в точке О всяпотенциальнаяэнергия mghпревратитсяв кинетическуюэнергию mv^г/2.В положенииравновесиякинетическаяэнергия имеетмаксимальноезначение, апотенциальнаяэнергия минимальна.После прохожденияположенияравновесияпроисходитпревращениекинетическойэнергии впотенциальную,скорость маятникауменьшаетсяи при максимальномотклоненииот положенияравновесиястановитсяравной нулю.При колебательномдвижении всегдапроисходятпериодическиепревращенияего кинетическойи потенциальнойэнергий.

При свободныхмеханическихколебанияхнеизбежнопроисходитпотеря энергиина преодолениесил сопротивления.Если колебанияпроисходятпод действиемпериодическидействующейвнешней силы,то такие колебанияназываютвынужденными.Например,родители раскачиваютребенка накачелях, поршеньдвижется вцилиндре двигателяавтомобиля,колеблютсянож электробритвыи игла швейноймашины. Характервынужденныхколебанийзависит отхарактерадействия внешнейсилы, от ее величины,направления,частоты действияи не зависитот размерови свойствколеблющегосятела. Например,фундаментмотора, на которомон закреплен,совершаетвынужденныеколебания счастотой,определяемойтолько числомоборотов мотора,и не зависитот размеровфундамента.

При совпадениичастоты внешнейсилы и частотысобственныхколебаний телаамплитудавынужденныхколебаний резковозрастает.Такое явлениеназывают механическимрезонансом.Графическизависимостьвынужденныхколебаний отчастоты действиявнешней силыпоказана нарисунке 10.

Явлениерезонанса можетбыть причинойразрушениямашин, зданий,мостов, еслисобственныеих частотысовпадают счастотой периодическидействующейсилы. Поэтому,например, двигателив автомобиляхустанавливаютна специальныхамортизаторах,а воинскимподразделениямпри движениипо мосту запрещаетсяидти «в ногу».

При отсутствиитрения амплитудавынужденныхколебаний прирезонанседолжна возрастатьсо временемнеограниченно.В реальныхсистемах амплитудав установившемсярежиме резонансаопределяетсяусловием потерьэнергии в течениепериода и работывнешней силыза то же время.Чем меньшетрение, тембольше амплитудапри резонансе.

Билет№6

Опытноеобоснованиеосновных положенийМКТ строениявещества. Массаи размер молекул.ПостояннаяАвогадро

Планответа

1. Основныеположения. 2.Опытные доказательства.3. Микрохарактеристикивещества.

Молекулярно-кинетическаятеория — этораздел физики,изучающийсвойства различныхсостоянийвещества,основывающийсяна представленияхо существованиимолекул и атомов,как мельчайшихчастиц вещества.В основе МКТлежат три основныхположения:

1. Все веществасостоят измельчайшихчастиц: молекул,атомов илиионов.

2. Эти частицынаходятся внепрерывномхаотическомдвижении, скоростькоторого определяеттемпературувещества.

3. Между частицамисуществуютсилы притяженияи отталкивания,характер которыхзависит отрасстояниямежду ними.

Основные положенияМКТ подтверждаютсямногими опытнымифактами. Существованиемолекул, атомови ионов доказаноэкспериментально,молекулыдостаточноизучены и дажесфотографированыс помощью электронныхмикроскопов.Способностьгазов неограниченнорасширятьсяи занимать весьпредоставленныйим объем объясняетсянепрерывнымхаотическимдвижениеммолекул. Упругостьгазов, твердыхи жидких тел,способностьжидкостей

смачиватьнекоторыетвердые тела,процессыокрашивания,склеивания,сохраненияформы твердымителами и многоедругое говорято существованиисил притяженияи отталкиваниямежду молекулами.Явление диффузии— способностьмолекул одноговещества проникатьв промежуткимежду молекуламидругого — тожеподтверждаетосновные положенияМКТ. Явлениемдиффузии объясняется,например,распространениезапахов, смешиваниеразнородныхжидкостей,процесс растворениятвердых телв жидкостях,сварка металловпутем их расплавле-нияили путем давления.Подтверждениемнепрерывногохаотическогодвижения молекулявляется такжеи броуновскоедвижение —непрерывноехаотическоедвижениемикроскопическихчастиц, нерастворимыхв жидкости.

Движение броуновскихчастиц объясняетсяхаотическимдвижениемчастиц жидкости,которые сталкиваютсяс микроскопическимичастицами иприводят ихв движение.Опытным путембыло доказано,что скоростьброуновскихчастиц зависитот температурыжидкости. ТеориюброуновскогодвиженияразработалА. Эйнштейн.Законы движениячастиц носятстатистический,вероятностныйхарактер. Известентолько одинспособ уменьшенияинтенсивностиброуновскогодвижения —уменьшениетемпературы.Существованиеброуновскогодвижения убедительноподтверждаетдвижение молекул.

Любое веществосостоит изчастиц, поэтомуколичествовещества принятосчитать пропорциональнымчислу частиц,т. е. структурныхэлементов,содержащихсяв теле, v.

Единицей количествавещества являетсямоль. Моль— это количествовещества, содержащеестолько жеструктурныхэлементовлюбого вещества,сколько содержитсяатомов в 12 гуглерода С¹².Отношениечисла молекулвещества кколичествувеществаназываютпостояннойАвогадро:

n_a=N/v. na=6,02 • 10²³моль^-1.

ПостояннаяАвогадро показывает,сколько атомови молекул содержитсяв одном молевещества.Молярной массойназывают величину,равную отношениюмассы веществак количествувещества:

М=m/v.

Молярная массавыражаетсяв кг/моль. Знаямолярную массу,можно вычислитьмассу одноймолекулы:

m₀= m/N = m/vN_A= М/N_A

Средняя массамолекул обычноопределяетсяхимическимиметодами, постояннаяАвогадро свысокой точностьюопределенанесколькимифизическимиметодами. Массымолекул и атомовсо значительнойстепенью точностиопределяютсяс помощьюмасс-спектрографа.

Массы молекулочень малы.Например, массамолекулы воды:т = 29,9 •10 ^-27 кг.

Молярная массасвязана сотносительноймолекулярноймассой Mr.Относительнаямолярная масса— это величина,равная отношениюмассы молекулыданного веществак 1/12 массы атомауглерода С¹².Если известнахимическаяформула вещества,то с помощьютаблицы Менделееваможет бытьопределенаего относительнаямасса, которая,будучи выраженав килограммах,показываетвеличину молярноймассы этоговещества.

Диаметроммолекулы принятосчитать минимальноерасстояние,на которое импозволяютсблизитьсясилы отталкивания.Однако понятиеразмера молекулыявляется условным.Средний размермолекул порядка10^-10 м.

Билет №7

Идеальныйгаз. Основноеуравнение МКТидеальногогаза. Температураи ее измерение.Абсолютнаятемпература

Планответа

1. Понятиеидеальногогаза, свойства.2. Объяснениедавления газа.3. Необходимостьизмерениятемпературы.4. Физическийсмысл температуры.5. Температурныешкалы. 6. Абсолютнаятемпература.

Для объяснениясвойств веществав газообразномсостояниииспользуетсямодель идеальногогаза. Идеальнымпринято считатьгаз, если:

а) между молекуламиотсутствуютсилы притяжения,т. е. молекулыведут себя какабсолютноупругие тела;

б) газ оченьразряжен, т. е.расстояниемежду молекуламинамного большеразмеров самихмолекул;

в) тепловоеравновесиепо всему объемудостигаетсямгновенно.Условия, необходимыедля того, чтобыреальный газобрел свойстваидеального,осуществляютсяпри соответствующемразряженииреального газа.Некоторыегазы даже прикомнатнойтемпературеи атмосферномдавлении слабоотличаютсяот идеальных.

Основнымипараметрамиидеальногогаза являютсядавление, объеми температура.

Одним из первыхи важных успеховМКТ было качественноеи количественноеобъяснениедавления газана стенки сосуда.Качественноеобъяснениезаключаетсяв том, что молекулыгаза при столкновенияхсо стенкамисосуда взаимодействуютс ними по законаммеханики какупругие телаи передают своиимпульсы стенкамсосуда.

На основаниииспользованияосновных положениймолекулярно-кинетическойтеории былополученоосновное уравнениеМКТ идеальногогаза, котороевыглядит так:р = 1/3 т₀пv².

Здесь р — давлениеидеальногогаза, m₀ —

масса молекулы,п — концентрациямолекул, v²— средний квадратскорости молекул.

Обозначивсреднее значениекинетическойэнергии поступательногодвижения молекулидеальногогаза Е_k получимосновное уравнениеМКТ идеальногогаза в виде: р= 2/3nЕ_k.

Однако, измеривтолько давлениегаза, невозможноузнать ни среднеезначение кинетическойэнергии молекулв отдельности,ни их концентрацию.Следовательно,для нахождениямикроскопическихпараметровгаза нужноизмерениекакой-то ещефизическойвеличины, связаннойсо среднейкинетическойэнергией молекул.Такой величинойв физике являетсятемпература.Температура— скалярнаяфизическаявеличина, описывающаясостояниетермодинамическогоравновесия(состояния, прикотором непроисходитизменениямикроскопическихпараметров).Как термодинамическаявеличина температурахарактеризуеттепловое состояниесистемы и измеряетсястепенью егоотклоненияот принятогоза нулевое, какмолекулярно-кинетическаявеличинахарактеризуетинтенсивностьхаотическогодвижения молекули измеряетсяих среднейкинетическойэнергией.

E_k = 3/2 kT,где k= 1,38 • 10^-23Дж/К и называетсяпостояннойБольцмана.

Температуравсех частейизолированнойсистемы, находящейсяв равновесии,одинакова.Измеряетсятемпературатермометрамив градусахразличныхтемпературныхшкал. Существуетабсолютнаятермодинамическаяшкала (шкалаКельвина) иразличныеэмпирическиешкалы, которыеотличаютсяначальнымиточками. Довведения абсолютнойшкалы температурв практикеширокое распространениеполучила шкалаЦельсия (за О°С принята точказамерзанияводы, за 100 °С принятаточка кипенияводы при нормальноматмосферномдавлении).

Единица температурыпо абсолютнойшкале называетсяКельвином ивыбрана равнойодному градусупо шкале Цельсия1 К = 1 °С. В шкалеКельвина заноль принятабсолютныйноль температур,т. е. температура,при которойдавление идеальногогаза при постоянномобъеме равнонулю. Вычислениядают результат,что абсолютныйноль температурыравен -273 °С. Такимобразом, междуабсолютнойшкалой температури шкалой Цельсиясуществуетсвязь Т =t °С + 273. Абсолютныйноль температурнедостижим,так как любоеохлаждениеосновано наиспарениимолекул споверхности,а при приближениик абсолютномунулю скоростьпоступательногодвижения молекулнастолькозамедляется,что испарениепрактическипрекращается.Теоретическипри абсолютномнуле скоростьпоступательногодвижения молекулравна нулю, т.е. прекращаетсятепловое движениемолекул.

Билет №8

Уравнениесостоянияидеальногогаза. (УравнениеМенделеева—Клапейрона.)Изопропессы

Планответа

1. Уравнениесостояния. 2.УравнениеМенделеева—Клапейрона.3. Процессы вгазах. 4. Изопроцессы.5. Графики изопроцессов.

Состояниеданной массыполностьюопределено,если известныдавление, температураи объем газа.Эти величиныназываютпараметрамисостояния газа.Уравнение,связывающеепараметрысостояния,называютуравнениемсостояния.

Для произвольноймассы газаединичноесостояниегаза описываетсяуравнениемМенделеева—Клапейрона:pV =mRT/M, гдер — давление,V —

объем, т — масса,М — молярнаямасса, R— универсальнаягазовая постоянная.Физическийсмысл универсальнойгазовой постояннойв том, что онапоказывает,какую работусовершает одинмоль идеальногогаза при изобарномрасширениипри нагреваниина 1 К (R = 8,31 Дж/моль• К).

УравнениеМенделеева—Клапейронапоказывает,что возможноодновременноизменение пятипараметров,характеризующихсостояниеидеального

газа. Однакомногие процессыв газах, происходящиев природе иосуществляемыев технике, можнорассматриватьприближеннокак процессы,в которых изменяютсялишь два параметраиз пяти. Особуюроль в физикеи технике играюттри процесса:изотермический,изохорическийи изобарный.

Изопроцессомназывают процесс,происходящийс данной массойгаза при одномпостоянномпараметре— температуре,давлении илиобъеме. Из уравнениясостояния какчастные случаиполучаютсязаконы дляизопроцессов.

Изотермическимназывают процесс,протекающийпри постояннойтемпературе.Т = const. Онописываетсязаконом Бойля-Мариотта.pV =const.

Изохорнымназывают процесс,протекающийпри постоянномобъеме. Длянего справедливзакон Шарля.V = const. p/T= const.

И

зобарнымназывают процесс,протекающийпри постоянномдавлении. Уравнениеэтого процессаимеет видV/T ==const при р =const и называетсязаконом Гей-Люссака.Все процессыможно изобразитьграфически(рис. 11).

рис.11

Реальные газыудовлетворяютуравнениюсостоянияидеальногогаза при неслишком высокихдавлениях (покасобственныйобъем молекулпренебрежительномал по сравнениюс объемом сосуда,в котором находитсягаз) и при неслишком низкихтемпературах(пока потенциальнойэнергиеймежмолекулярноговзаимодействияможно пренебречьпо сравнениюс кинетическойэнергией тепловогодвижениямолекул), т. е.для реальногогаза это уравнениеи его следствияявляются хорошимприближением.

Билет №9

Испарениеи конденсация.Насыщенныеи ненасыщенныепары. Влажностьвоздуха. Измерениевлажностивоздуха

Планответа

1. Основныепонятия. 2. Водянойпар в атмосфере.3. Абсолютнаяи относительнаявлажность. 4.Точка росы. 5.Приборы дляизмерениявлажности.

Испарение— парообразование,происходящеепри любой температуресо свободнойповерхностижидкости.Неравномерноераспределениекинетическойэнергии тепловогодвижения молекулприводит ктому, что прилюбой температурекинетическаяэнергия некоторыхмолекул жидкостиили твердоготела можетпревышатьпотенциальнуюэнергию ихсвязи с другимимолекулами.Большей кинетическойэнергией обладаютмолекулы, имеющиебольшую скорость,а температуратела зависитот скорости

движения егомолекул, следовательно,испарениесопровождаетсяохлаждениемжидкости. Скоростьиспарениязависит: отплощади открытойповерхности,температуры,концентрациимолекул вблизижидкости.Конденсация— процесс переходавещества изгазообразногосостояния вжидкое.

Испарениежидкости взакрытом сосудепри неизменнойтемпературеприводит кпостепенномуувеличениюконцентрациимолекул испаряющегосявещества вгазообразномсостоянии.Через некотороевремя посленачала испаренияконцентрациявещества вгазообразномсостояниидостигнеттакого значения,при которомчисло молекул,возвращающихсяв жидкость,становитсяравным числумолекул, покидающихжидкость зато же время.Устанавливаетсядинамическоеравновесиемежду процессамииспаренияи конденсациивещества. Веществов газообразномсостоянии,находящеесяв динамическомравновесиис жидкостью,называютнасыщеннымпаром. (Паромназывают совокупностьмолекул, покинувшихжидкость впроцессе испарения.)Пар, находящийсяпри давленииниже насыщенного,называютненасыщенным.

Вследствиепостоянногоиспарения водыс поверхностейводоемов, почвыи растительногопокрова, а такжедыхания человекаи животных ватмосферевсегда содержитсяводяной пар.Поэтому атмосферноедавление представляетсобой суммудавления сухоговоздуха инаходящегосяв нем водяногопара. Давлениеводяного парабудет максимальнымпри насыщениивоздуха паром.Насыщенныйпар в отличиеот ненасыщенногоне подчиняетсязаконам идеальногогаза. Так, давлениенасыщенногопара не зависитот объема, нозависит оттемпературы.Эта зависимостьне может бытьвыражена простойформулой,поэтому наоснове экспериментальногоизучения зависимостидавления насыщенногопара от температурысоставленытаблицы, покоторым можноопределитьего давлениепри различныхтемпературах.

Давление водяногопара, находящегосяв воздухе приданной температуре,называютабсолютнойвлажностью,или упругостьюводяного пара.Посколькудавление парапропорциональноконцентрациимолекул, можноопределитьабсолютнуювлажностькак плотностьводяного пара,находящегосяв воздухе приданной температуре,выраженнуюв килограммахна метр кубический(р).

Большинствоявлений, наблюдаемыхв природе,например быстротаиспарения,высыханиеразличныхвеществ, увяданиерастений, зависитне от количестваводяного парав воздухе, а оттого, насколькоэто количествоблизко к насыщению,т. е. от относительнойвлажности,которая характеризуетстепень насыщениявоздуха водянымпаром.

П

ринизкой температуреи высокой влажностиповышаетсятеплопередачаи человекподвергаетсяпереохлаждению.При высокихтемпературахи влажноститеплопередача,наоборот, резкосокращается,что ведет кперегреваниюорганизма.Наиболееблагоприятнойдля человекав среднихклиматическихширотах являетсяотносительнаявлажность40—60%. Относительнойвлажностьюназывают отношениеплотностиводяного пара(или давления),находящегосяв воздухе приданной температуре,к плотности(или давлению)водяного парапри той жетемпературе,выраженноев процентах,т. е. = р/р₀ • 100%, или(р = р/р₀ • 100%.

Относительнаявлажностьколеблетсяв широкихпределах. Причемсуточный ходотносительнойвлажностиобратен суточномуходу температуры.Днем, с возрастаниемтемпературы,и следовательно,с ростом давлениянасыщенияотносительнаявлажностьубывает, а ночьювозрастает.Одно и то жеколичествоводяного параможет либонасыщать, либоне насыщатьвоздух. Понижаятемпературувоздуха, можнодовести находящийсяв нем пар донасыщения.Точкой росыназывают температуру,при которойпар, находящийсяв воздухе, становитсянасыщенным.При достиженииточки росы ввоздухе илина предметах,с которыми онсоприкасается,начинаетсяконденсацияводяного пара.Для определениявлажностивоздуха используютсяприборы, которыеназываютсягигрометрамии психрометрами.