Учебная работа. Реферат: Экзаменационные билеты и ответы за 11 класс по Физике

Учебная работа. Реферат: Экзаменационные билеты и ответы за 11 класс по Физике

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 –
v0)/t.
Единица измерения
ускорения —
м/с2.

Характеристики
механического
движения свя­заны
между собой
основными
кинематическими
уравнениями.

s = v0t
+ at2/
2;

v = v0
+
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 =
v0
+ at, s
= V0t
+ at2/
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
= v0
+ at, s = v0t
— at2/
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.

Упругость
— 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 законназывается
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(V1—V2)
= pΔV, где

V1,
и V2 —
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
План
ответа

1. электрический
заряд. 2. Взаимодействие
за­ряженных
тел. 3. законэлектрическая
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(Np-Ne)
где Np
— количество
электронов,
Ne —
количество
протонов.

Полный
заряд замкнутой
системы (в
которую не
входят заряды
извне), т. е.
алгебраическая
сумма зарядов
всех тел остается
постоянной:
q1 + q2
+ …+qn
= 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 •
q1q2/r2,
где q1
и q2—
модули зарядов,
r — расстояние
между ними,
k — коэффициент
пропор­циональности,
зависящий от
выбора системы
еди­ниц, в СИ
k = 9 •
109 Н • м2/Кл2.
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 законF=
k •
q1q2/(ε•r2)

вместо
коэффициента
k часто
используется
коэффициент,
называемый
электрической
постоян­ной
ε0. Электрическая
постоянная
связана с
коэффи­циентом
k следующим
образом k
= 1/4π ε0
и численно
равна ε0=8,85
• 10-12 Кл/Н •
м2.

С использованием
электрической
постоянной
закон Кулона
имеет вид:F=(1/4π
ε0
)•
(q1q2
/r2)

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

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 =
I2R
t = U2/R
• t.

Мощность,
по определению,
N = A/t,
следова­тельно,
N = UI
= I2 R
= U2/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 =
I2Rt.

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= Aст/q

Пусть
за время t
через поперечное
сечение проводника
пройдет электрический
заряд q.
Тогда работу
сторонних сил
при перемещении
заряда мож­но
записать так:
Aст
= ξ q.
Согласно определению
си­лы тока q
= It, поэтому
Aст = 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 =I2Rt
+ I2rt.
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).

Как
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: Fa
=
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
№ 16

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.

Полупроводниковый
диод состоит
из контакта
двух полупроводников
р- и
n-типа.
Достоин­ством
полупроводникового
диода являются
малые размеры
и масса, длительный
срок службы,
высокая механическая
прочность,
высокий коэффициент
по­лезного
действия, а
недостатком
— зависимость
их сопротивления
от температуры.

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
№ 17

Электромагнитная
индукция. Магнитный
поток.

Закон
электромагнитной
индукции. правило
Ленца

План
ответа

1. Опыты
по электромагнитной
индукции. 2.
Магнитный
поток. 3. закон

Явление
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).

Опытным
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.

Зависимость
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.

Явление
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

Wm
== LI2/2.

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
(Wэ
= = CU2/2)
в энергию магнитного
поля катушки
с то­ком (wm
= LI2/2)
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

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 =
q1q2/r2;
и гравитационные
силы: законF
= Gm1m2/r2.
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
законF
= 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.

Явление
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 • 1014
— 8 • 1014
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
= 2k
λ/2.

При разности
хода, кратной
нечетному числу
полуволн l
= (2k
+ 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.

Пусть
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 = kλ,
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
№23

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
= Еm
–
Εn;
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
№24

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
(Авых).
Работа выхода
— это
работа, которую
необходимо
затратить,
чтобы удалить
электрон из
металла. Максимальная
энергия электронов
после вылета
(если нет других
потерь) имеет
вид:
mv2/2
= hv
— Авых,
Это уравне­ние
носит название
уравнения
Эйнштейна.

Если
hν
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
235U.
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 107
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).

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
р1
= р2
где р1
— начальный
импульс системы,
а р2
— конеч­ный.
В случае двух
тел, входящих
в систему, это
вы­ражение
имеет вид m1v1
+ т2v2
= m1v1‘
+ т2v2‘
где т1
и т2
— массы
тел, а v1
и v2, —
скорости до
взаимодей­ствия,
v1′ иv2′
— 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 взаимодействия
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 v0
до v, то
уско­рение
движения a
тела равно a
= (v — v0)/t.
На осно­вании
второго закона
Ньютона для
силы F
можно записать
F = та =
m(v — v0)/t,
отсюда следует
Ft = mv —
mv0.

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
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 т1
со скоростью
v1.
Тогда

оставшаяся
часть придет
в движение в
противопо­ложную
сторону со
скоростью v2,
масса оставшейся
части т2
Действительно,
сумма импульсов
обоих
частей
тела до отделения
была равна нулю
и после разделения
будет равна
нулю:

т1v1
+m2v2
= 0, отсюда
v1
=
-m2v2/m1.

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

законтела. Невесомость

План
ответа

1.
Силы гравитации.
2. законтела, 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(m1*m2)/R2,
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
m1 =
m2
= 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 • м2/кг2.
Силы всемирного
тя­готения
действуют между
любыми телами
в природе, но
ощутимыми они
становятся
при больших
массах (или
хотя бы масса
одного из тел
велика). законслучае
за расстоя­ние
принимается
расстояние
между центрами
ша­ров).

Частным
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
= fт/m,
следовательно,
fт
= 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/с2.

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.

Механическими
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).

Свободными
— 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 mvг/2.
В положении
равновесия
кинетическая
энергия имеет
максималь­ное
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 С12.
От­ношение
числа молекул
вещества к
количеству
ве­щества
называют
постоянной
Авогадро:

na
=
N/v.
na
=
6,02 • 1023
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:

m0
= m/N = m/vNA
= М/NA

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 С12.
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.

диаметром
молекулы принято
считать мини­мальное
расстояние,
на которое им
позволяют
сбли­зиться
силы отталкивания.
Однако понятие
размера молекулы
является условным.
Средний размер
моле­кул порядка
10-10 м.

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 т0пv2.

Здесь р — давление
идеального
газа, m0 —

масса молекулы,
п — концентрация
молекул, v2
— средний квадрат
скорости молекул.

Обозначив
среднее р
= 2/3nЕk.

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.

Ek = 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
законV = 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).

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.

При
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/р0 • 100%, или
(р = р/р0 • 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.