/
Автор: Горбушин Ш.А.
Теги: физика общее школьное образование общеобразовательная школа конспект естественные науки эксперименты общая физика
ISBN: 5-7659-0420-3
Год: 1992
Текст
азбукафцзиш
Ш. А Горбушин
Ижевск
Д/дмуртия"
ОПОРНЫЕ КОНСПЕКТЫ
ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
ФИЗИКИ
ОБЩЕОБРАЗОВА-
ТЕЛЬНОЙ
ШКОЛЫ
ш^офивиш
" Горбушин
ОПОРНЫЕ КОНСПЕКТЫ
ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ
ФИЗИКИ
ЗА КУРС СРЕДНЕЙ
ОБЩЕОБРАЗОВА-
ТЕЛЬНОЙ
ШКОЛЫ
экспериментальные
материалы
Под редакцией кандидата
педагогических наук, заведующего
лабораторией методики
преподавания физики
НЦИ ССО РАО В,Ф. Башарина
Ижевск
УДМУРТИЯ
1992
ББК22.3я722
Г67
УДК53(07):373.7(07)
Печатается по решению ученого совета НИИ ССО РАО
Рецензенты:
ведущий научный сотрудник лаборатории ес-
тественно-математической подготовки НИИ
ССО РАО, доктор физико-математических
наук Ю.Е. Шейбут;
заслуженный учитель школы Удмуртской
Республики, кандидат педагогических наук,
доцент Глазовского педагогического институт
та им. Короленко С.М. Новиков;
старший преподаватель физики ПТУ N 24
г. Глазова Удмуртской Республики Б.П. Гла-
ватских.
Горбушин 1ILA.
Г67 Азбука физики. Опорные конспекты для изучения
физики за курс средней общеобразовательной школы:
Экспериментальные материалы.— Ижевск:Удмуртия, 1992-
256 с. —("Для тех, кто учит “ для тех, кто учится1*)
ISBN 5-7659-0420-3
Учебное пособие содержит экспериментальные материалы, созданные
преподавателем физики среднего ПТУ N 24 г. Глазова IILA. Горбуши-
ным. Материалы пособия предназначены для обучения учащихся обще-
образовательных школ, ПТУ, техникумов основам физики с помощью так
называемых опорных конспектов, в которых курс физики представлен в
обобщенном и сжатом виде. Кроме этого пособие имеет функции само-
учителя и справочника по основам элементарной физики.
Структурирование учебного материала осуществлено по блочно-мо-
дульной системе.
1604000000 “073
Г-------—------- Гез объявл ББК22.3я722
М134 (03) “92
ISBN 5-7659-0420*3
© ULA. Горбушин, 1992.
3
СОДЕРЖАНИЕ
В.Ф. Башарин. Предисловие
От автора................
Советы учащимся..........
4
5
в
254
Литература для преподавателей
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее посооие есть результат методических поисков и
практической деятельности народного учителя СССР Ш А.
Горбушина, который по итогам педагогической деятельности за
1990 год был назван "учителем года" среди преподавателей физики
ПТУ страны.
Это пособие предназначено в первую очередь для учащихся
профессионально-технических школ (ПТУ, техникумов, техниче-
ских лицеев и т.п). Однако, поскольку оно содержит материал
курса физики полной средней школы, может использоваться для
обучения учащихся всех типов средних школ.
Целью данной работы является компактное представление основ
элементарной физики в форме опорных конспектов ко всем
программным урокам Не следует думать, что это пособие может
заменить учебник. Оно служит обоснованной психолого-педагоги-
ческой организации памяти учащихся, лучшему усвоению, систё-
матизации и обобщению основ элементарной физики с
минимальной затратой сил и времени. Особое значение эта работа
имеет для самостоятельного восстановления учащимися забытых
знаний с целью их подготовки к выпускным экзаменам по физике
за курс средней школы и к вступительным экзаменам в вузы
Учащиеся могут использовать это пособие при выполнении до-
машних заданий, решении физических задач, для само-
образования, а также как справочник
Преподаватели физики могут применять этот труд как постоян-
ное поурочное методическое пособие, используемое на различных
этапах урока для формирования, закрепления и восстановления
физических знаний учащихся.
Материалы данного пособия апробированы в многолетней
практической деятельности.ША Горбушина в качестве препода-
вателя среднего ПТУ и дали устойчиво хорошие результаты обуче-
ния.
Научный редактор, зав. лабораторией
методики преподавания физики НИИ ССО
РАО, ведущий научный сотрудник,
канд. пед. наук В.Ф, Башару у
5
ОТ АВТОРА
Сегодня, необходимость в получении все возрастающего объема
знаний, умений вступает в противоречие с о: аниченным
временем, которое отводится на овладение учебным материалом,
В создавшейся ситуации информационного "взрыва” очень акту-
альной становится проблема уплотнения учебных знаний. Без
уплотнения учебной информации обучение в будущем трудно во-
образить. Уплотнение знаний - это не механическое усечение объ-
ема изучаемого материала, а лишь структурирование учебного
материала более укрупненными, обобщающими дидактически-
ми единицами одновременного изучения. В данном учебном посо-
бии представлены укрупненные единицы учебной информации
по всем разделам курса физики.
Настоящие экспериментальные материалы - это лишь первая
часть авторской педагогической технологии преподавания фи-
зики, где произведен отбор оптимума содержания материала
физики в виде опорных конспектов. В дальнейшем
предполагается подготовить к выпуску еще две книги -
трехуровневый задачник и контролирующее пособие с
разработкой критериев знаний и умений в виде готовых заданий
по каждой теме.
Хотелось бы отметить, что этот труд появился в результате
многолетнего сотрудничества с лабораторией методики
преподавания физики НИИ ССО РАО.
Считаю своим приятным долгом принести благодарность
В.Ф Башарину, АЛ. Брылякову, НА Ворожцовой, БЛ. Глават-
ских, TJO Граковскому, BJH. Деветьярову, СМ Новикову,
АЛ. Тимофееву, Ю. Е. Шейбуту.
Автор отдает себе отчет в том, что при первом издании книги
неизбежны недочеты и упущения. Отзывы и замечаниячитателей
будут приняты с благодарностью.
6
СОВЕТЫ УЧАЩИМСЯ
Вы держите в руках книгу, которая облегчает изучение физики,
а также служит руководством быстрого восстановления забытых
физических знаний. В этой книге содержатся материалы полного
курса физики за среднюю школу, а также минимум математиче-
ских сведений для овладения этой дисциплиной.
Весь курс физики разбит на шесть разделов (седьмой раздел
содержит математический аппарат), каждый из которых
представлен тематическими блоками, которые в свою очередь со-
стоят из завершенных относительно самостоятельных физических
вопросов — модулей. Каждый модуль для удобства изложен нэ
одной страничке (но объем модулей может быть и меньше). Со-
держание каждого вопроса включает определение понятия или
закона, его формулу, единицы измерения. В ряде случаев дополни-
тельно может даваться историческая справка, инфомация с
практическом применении, разъяснение наиболее трудных поло-
жений изучаемого понятия, закона или явления.
Таким образом, для изучения какого-либо отдельного физиче-
ского вопроса или восстановления знаний достаточно не спеша
разобраться в одной страничке текста, а в случае затруднения,
обратиться к преподавателю или учебнику физики. Только осоз-
нанное понимание материала приведет к его запоминанию и позво-
лит .применить полученные знания для решения задач или
выполнения лабораторной работы.
В завершении каждого блока, для активизации самостоятель-
ной работы учащегося и обеспечения глубокого и сознательного
изучения предмета, даются вопросы для самоконтроля по каждо-
му модулю. В конце каждого раздела приведены основные
формулы с расшифровкой физических величин, входящих в них.
Это позволяет работать с пособием как со справочником.
Физика - это наука, которая раскрывает, как устроен окружа-
ющий нас мир, это фундамент, на котором развиваются все
отрасли техники, такие как машиностроение, энергетика,
радиотехника, электроника, приборостроение и многое-многое
другое. Поэтому сегодня очевидна необходимость глубокого знания
физики молодежью, стремящихся продолжить свое образование.
Успехов вам в изучении этой удивительной науки.
РАЗДЕЛ 1
МЕХАНИКА
Механика - раздел физики, в котором изучают механи-
ческое движение. Механическим движением называют
изменение положения тел в пространстве с течением
времени относительно других тел.
Механика - научная основа современной техники. На
основе законов механики определяются орбиты кос-
мических кораблей и спутников. Законы механики ис-
пользуются при проектировании и строительстве
сооружений, при создании машин и механизмов.
Механику принято подразделять на кинематику, дина-
мику и статику.
СОДЕРЖАНИЕ 1 го РАЗДЕЛА
Блок 1. Основы кинематики...............8
Блок 2. Основы динамики..............1Я
Блок 3. Элементы статики...............38
Блок 4. Законы сохранения в механике. . . . 46
Блок 5. Элементы гидро- и аэромеханики. ... 54
Основные формулы раздела
"Механика*1......................64
8
grtAK 1
ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ
Кинематика изучает способы описания движения и связь между
величинами, характеризующими эти движения*
Задачей кинематики является определение кинематических
характеристик движения (траектории движения, перемещения,
пройденного пути, координаты, скорости и ускорения тела), а
также получение уравнений зависимости этих характеристик от
времени.
Содержание 1-го блока
1. Механическое движение........................9
2. Элементы векторной алгебры.............. ... 10
3. Равномерное прямолинейное движение..........11
4. Неравномерное прямолинейное движение........—
5. Равнопеременное прямолинейное движение .....12
6. Графическое представление движения..........13
7. Равномерное вращательное движение...........14
Вопросы для самоконтроля по блоку
’’Основы кинематики".........................15
Блок 1
9
1. МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
1 Механическим движением тела называют изменение его
положения в пространстве относительно других тел с тече-
нием времени.
Движение тела, при котором все его
точки движутся одинаково, называет*
ся поступательным.
Тело, размерами которого в данных
условиях можно пренебречь, называют
материальной точкой.
Система координат:
а) одномерная
-4 о у Ж/ * ❖
Лf 1 ’1 **•
б) двумерная
в) трехмерная
Положение тела на прямой
определяется одной координатой х»
"Автомобиль”
Положение тела (точки) на плос-
кости определяется двумя координа-
тами х;у.
"Лодка”
8, Система отсчета.
Положение тела (точки) в
пространстве определяется тремя
координатами х; у; х.
"Вертолет”
Главная задача механики - уметь вычислять координаты то-
чек тела в любой момент времени.
Система координат, тело отсчета, с которым она свя-
зана, и прибор для отсчета времени образуют систему
отсчета, относительно которой и рассматривается
движение тела.
4 . Путь и перемещение. Длин^ по которой движется точка тела,
траектория называется траекторией движения.
4у «лгууши Длина траектории называется
I __ пройденным путем (I)
I Г (траектория - след; путь - расстояние Z).
Вектор, соединяющий начальную И
У 2 конечную точки траектории, называется
$ перемещением ( §*)
Лч Ьредэвмещение (перемещение - вектор s; модуль
перемещения - скаляр в).
10
Блок 1
2. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОЙ АЛГЕБРЫ
Физические величины могут быть скалярными и векторными.
Скалярными величинами (скалярами) называются такие ве-
личины, которые характеризуются только числовым значением
(время i, масса т).
Векторными величинами (векторами) называются такие вели-
чины, которые характеризуются числовым значением и
направлением (скорость v, сила F ).
1 Сложение векторов. Вектора складываются по правилам:
а) параллелограмма; б) треугол’ чика.
Если вектора коллениарны, то есть параллельны друг другу, то:
<2* с\ а
2. Вычитание векторов.
3. Умножение вектора на скаляр.
1 1 -ТГ
Математические действия с векторами производятся
Геометрически.
4. Проекция вектора на ось.
& Проекцией вектора а на ось гс называется
о___Гдг><1 г отрезок Ох между проекциями на эту ось нача*
3 Т А* ла и К0НЧа вектора.
Если вектор перпендикулярен оси, то его
е л _ проекция равна 0.
я>/ Если проекция вектора на ось совпадает с
?! 12й положительным направлением оси, то она по-
0_____1 I— ложительна, в противном случае
л отрицательна.
Проекция вектора на ось - скаляр, поэтому математические
Действия с проекциями производятся алгебраически.
Блок 1
11
3. РАВНОМЕРНОЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЙ
Прямолинейным равномерным движением называют
движение, при котором тело за любые равные промежутки
времени совершает одинаковые перемещения.
s t
Си м с
V
м
с
Скоростью равномерного прямолинейно-
го движения называют величину, равную
отношению перемещения тела к
промежутку времени, в течение которого
это перемещение произошло,
$ =irc —уравнениеравномерного движения;.
х = х0 + vxt — уравнение координаты тела.
Проекция векторов скорости и перемещения на ось.
График скорости
График координаты
4. НЕРАВНОМЕРНОЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ
ДВИЖЕНИЕ
Движение, при котором тело за равные промежутки
времени совершает неодинаковые перемещения, называют
неравномерным или переменным движением.
Отношение пути, пройденного материальной
точкой к промежутку времени, за который этот
путь пройден, называется средней скоростью
движения.
Мгновенной скоростью переменного движения называ-
ют скорость тела в данный момент времени или в данной
точке траектории, то есть мгновенная скорость есть предел,
к которому стремится средняя скорость тела, когда
промежуток времени стремится к нулю.
As
Умгн — lim
12
Блок 1
5. РАВНОПЕРЕМЕННОЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ
ДВИЖЕНИЕ
Движение тела, при котором его скорость за любые
промежутки времени изменяется одинаково, называют
равноускоренным или равнопеременным движением.
Ускорение.
| —» —>
। -> V — Vo Ускорением называется векторная фи-
а — —-— зическая величина, численно равная из-
I______?___ менению скорости за единицу времени.
Ускорение - характеристика изменения
1<Ч „2 скорости,
с
а» >0; >0 равноускорен-О* <0;% >0 - равнозамедлен-
<Хх < 0; vx < 0 ное движение; ®® н°е движение.
2. Мгновенная и средняя скорость равноускоренного
прямолинейного движения:
Vo + v
2
v = Vo 4- at , при Vo
— at]; vep =
Графики скорости тел при равноускоренном движении:
В
, Уравнение равноускоренного прямолинейного движения:
i а»?*! I Oxi2 axt?
ix=Xo+voxt+—~- ; Sx=W+-^“ , при Vox=0 Sx=-t-~
1 & & Li
Графиком перемещения является парабола, ветви которой
направлены вверх, если, а > 0, или вниз, если а < 0 . Вершина
параболы находится в точках:
b b* | ах |
^С--,где а=~
, Ь — I Vox I; с I Хо I •
4. Связь перемещения тела с его скоростью:
vl
> — ~ v^z
2а^
, при Vox "0 & =х— .
&Ох
V» = 'J'Dm + 2axSx
при По» =0
ИЛИ
Блок 1
6. ГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ
Для большей наглядности движение можно описать с по-
мощью графиков. К ним относятся графики зависимости
скорости, ускорения* пути, координаты тела от времени.
4г 0 ; %<о I ("обратно") 1 1 / ("туда")
|рзН» V®
/ 1 afO;&0
"туда" 1 | ("обратному
мнемоническое правило
для построения графиков
движения
РУ|- равноускоренное
движение;
РЗ - равнозамедленное
движение.
Прим^-г По заданному графику скорости движения тела
построить графики ускорения, перемещения, пути.
На участке Ой. - ма-
териальная точка движется
равноускоренно:
ai > 0 ; vi > 0 "туда*
На участке Ыг - движение
равномерное:
аг = 0; иг ~ const "туда"
На участке tzt3 - равнозамед*
лейное Движение:
аз < 0; г>з > 0 "туда*
На участке tsti - равноуско-
ренное движение:
а< < 0; < 0 "обратно*
На участке tits - равнозамед-
ленное движение:
аь >0; < 0 "обратно*
На участке t&t$ - равноуско-
ренное движение:
аз>0; г?б>0 "туда*
в ——е
14
Блок 1
7. РАВНОМЕРНОЕ ВРАЩАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ
L Угол поворота.
Углом поворота радиуса называ-
ется угол <р, на который по-
ворачивается радиус, соединяющий
центр окружности с телом, дви-
жущимся по окружности.
2. Угловая скорость.
Отношение угла поворота <р к
промежутку времени, в течение которого
рад совершен этот поворот при равно-
[<о] =- мерном движении точки по окружности
с называется угловой скоростью а).
3. Линейная скорость.
Отношение длины дуги окружности I
пройденной точкой к промежутку
времени t называют линейной ско-
м ростью v.
4. Связь угловой скорости с линейной скоростью.
l=R<p J г? = ~
V —RO) или
V
R .
5. Центростремительное ускорение.
Ускорение тела, равномерно движущегося по
о к ружно с ти, напр авле но
окружности к ее центру.
а =ЮгЯ
по радиусу*
а =—
R
a *=v(i)
6. Период и частота обращения тела.
Промежуток времени, за который тело совершает один
полный оборот, называется периодом Т, [ Т ] = с
Г
Т дз-<
Д'-
4Л2Я
« =—Г~
Т2
Число оборотов N, совершаемых телом за единицу
времени t, называется частотой обращения те-
ла v. [v]=-
с
й)=2ЛГ; V—2JIRV', а=4Я2«/Я
231
ИГ
2Л
Т
23tR
Т '
г =
т
Блок 1
15
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ”
Модуль МЕХАНИЧЕСКОЕ ДВИЯСЕНИЕ
1. В чем состоит задача механики?
2. Что называют механическим движением?
3. Какое движение называют поступательным?
4. Что такое материальная точка и для чего введено это понятие?
5. Что такое система отсчета? Для чего она вводится?
6. Какие системы координат вы знаете?
7. Что называют траекторией движения?
8. Что называют длиной пути и перемещением? В чем отличие пути
от перемещения?
9. Движение материальной точки является полностью опи-
санным кинематически - как это понять?
Модуль 2. ЭЛЕМЕНТЫ ВЕКТОРНОЙ АЛГЕБРЫ
1 Какие величины называют скалярными, а какие векторными?
Чем отличается векторная величина от скалярной?
2. Какие правила сложения векторов вы знаете?
3. Как производится сложение нескольких векторов?
4. Как определяется разность двух векторов?
5. Как производится умножение вектора на скаляр?
6. Какие вектора называются коллениарными? Как производится
сложение и вычитание коллениарных векторов?
7, Как производятся математические действия с векторами и с
проекциями векторов?
8. Что называется проекцией вектора на ось?
9. Чему равна проекция точки на ось? Чему равна проекция
вектора на ось, если вектор перпендикулярен оси?
10. В каком случае проекция вектора на ось положительна, а в
каком - отрицательна?
Модуль 3. РАВНОМЕРНОЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ
ДВИЖЕНИЕ
1. Какое движение называют равномерным прямолинейным?
2. Что называют скоростью равномерного прямолинейного дви-
жения? Какая формула выражает смысл этого понятия? Какова
единица скорости в СИ?
3. В чем различие между перемещением и пройденным путем при
прямолинейном равномерном движении?
4 Как записывается кинематический закон равномерного
прямолинейного дижения?
5. Каков общий принцип построения графиков физических
величин?
16
Блок 1
6. Постройте и объясните график скорости прямолинейного
равномерного движения.
7. Постройте и объясните график зависимости координаты тела,
движущегося прямолинейно и равномерно, от времени,
8. Постройте и объясните график пути равномерного
прямолинейного движения.
9. Как определить проекцию вектора скорости на ось?
10. Как определить проекцию вектора перемещения на ось?
11. Как определить координату тела, зная проекцию перемещения?
Модуль 4. НЕРАВНОМЕРНОЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ
ДВИЖЕНИЕ
1. Какое движение называют неравномерным или переменным?
2. Что называют средней сгсоростью переменного движения?
&Что называют мгновенной скоростью неравномерного движения?
4. Каким способом можно определить мгновенную скорость тела?
Модуль 5. РАВНОПЕРЕМЕННОЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ
ДВИЖЕНИЕ
1. Какое движение называют равноускоренным или равно-
переменным?
2. Что называют ускорением?
8. Какая формула выражает смысл ускорения?
4. Сформулируйте определение единицы ускорения в СИ.
5. Чем отличается "ускоренное" прямолинейное движение от "за-
медленного"?
6. Напишите формулу проекции скорости тела на выбранную ось в
любой момент времени.
7. Напишите формулу для модуля перемещения тела в
прямолинейном равноускоренном движении без начальной
скорости и с начальной скоростью.
8. Напишите формулу координаты тела при равноускоренном
прямолинейном движении.
9. Как запишется формула, выражающая связь модуля
перемещения тела с его скоростью?
Модуль а ГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ
ДВИЖЕНИЯ
1. Постройте и объясните график скорости прямолинейного
равноускоренного движения с начальной и без начальной
скорости.
2. Как по графику скорости равноускоренного движения можно
Блок 1
определить ускорение и путь, пройденный телом в этом движе-*
НИИ?
3 Объясните, как строится график зависимости координаты телгь
от времени при его "ускоренном” и "замедленном” движении, ис-
пользуя при этом мнемоническое правило для построения?
графиков движения
4 Постройте и объясните график пути равноускоренного if
равнозамедленного прямолинейного движения, используя при
этом мнемоническое правило
5 По заданному преподавателем графику скорости движения тела
постройте графики зависимости ускорения, перемещения и пу-*
ти тела от времени
Модуль? РАВНОМЕРНОЕ ВРАЩАТЕЛЬНОЕ
ДВИЖЕНИЕ
1 . Как направлена мгновенная скорость при криволинейном дВИЖе*
НИИ?
2 . Что называют углом поворота радиуса окружности?
3 Чему равен угол между двумя радиусами окружности, длина дуле
между которыми равна радиусу?
4 ‘Что называют угловой скоростью и какая формула выражает
смысл этого понятия?
5 . Что называют линейной скоростью тела при его движений по
окружности? Какая формула выражает смысл этого понятия?
6 Выведите формулу, выражающую зависимость между линейной,
и угловой скоростью
7 Что называют периодом и частотой обращения? Как эти величи*
ны связаны между собой?
& Напишите формулу, выражающую связь центростремительного
ускорения с угловой и линейной скоростями, а также с периодом
и частотой обращения
18
Блок 2
ОСНОВЫ ДИНАМИКИ
Динамика - раздел механики, в котором изучают законо-
мерности механического движения материальных тел под дейст-
вием приложенных к ним сил и причины возникновения у тел
ускорений.
Основная задача динамики состоит в том, чтобы по известным
законам движения определить силы, действующие на тело.
Основы динамики составляют три закона Ньютона, которые
справедливы для макроскопических тел, скорость движения ко-
торых много меньше, чем скорость света в вакууме.
Содержание 2 - го блока
8. Первый закон Ньютона.....................19
9. Сила Второй закон Ньютона................20
10. Третий закон Ньютона . ..................21
И. Принцип относительности Галилея...........22
12. Силы упругости...........................23
13. Закон всемирного тяготения . . . . 24
14. Сила тяжести..............................—
15. Силы трения..............................25
16. Свободное падение тел 26
17. Движение тела, брошенного вертикально
вверх ........................................—
18. Движение тела, брошенного горизонтально . . 27
19. Движение тела, брошенного под углом
к горизонту............................... . . —
20. Вес тела. Невесомость и перегрузки.......28
21. Примеры движения тела по окружности
(1-я часть; 2-я часть) ......................29
22. Движение тела под действием нескольких сил . . 31
Вопросы для самоконтроля по блоку
’’Основы динамики"........................32
Блок 2
19
8. ПЕРВЫЙ ЗАКОН НЬЮТОНА
1 Существуют такие системы отсчета, относительно которых
поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость
постоянной, если на него не влияют другие тела (или
влияния других тел компенсируются). jf=O* гГ=СО?Ф&
Первый закон Ньютона — закон инерции
2. Явление сохранения скорости движения тела при
отсутствии внешних воздействий или при их!
компенсации называется инерцией.
Условия инерции: . н
•“Г* а) если действия нет (в =0)—покой, v = 0;
б) если действия скомпенсированы (В = 0 ) —*
движение равномерное прямолинейное и-СОШЁ
8 Инерциальная система отсчета (ИСО) - система отсчета
относительно которой тело, при отсутствии внешних
' воздействий или при их компенсации, движется прямолинейно
и равномерно.
4. Свойство тела, от которого зависит
о о а его ускорение при взаимодействии в
4, £ другими телами, называете^
Тг Ту* инертностью.
Количественная мера инертности тела - масса тел&
Б.
Отношение масс взаимодействующих тел*
равно обратному отношению модулей ус^
корений:
MjOt ^т^а^ «> —=—
т&х Пт
СЕэт
аТ
Масса тела — это физическая величина, выражающее
его инертность,
6. Измерение массы:
а) цо ускорению при взаимодействии с эталоном:
<Уз
ЯЦг о,?
€) взвешиванием:
ШтЯ-т^д
т^ ~тп ,
1889 г. - Франция,
г.Севр платина
иридий
[tn] =кг
20
Блок 2
9. СИЛА. ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА
1. Сила- мера воздействия одного тела на другое.
Сила - векторная величина; она характеризуется:
модулем (абсоютной величиной);
направлением;
точкой приложения.
2.
Измеряя F; $; £, из 3 = а— найдем а.
1) т = const,
т_ «1 Fi
Измеряя силу и сравнивая тг ,
аг Fz
убеждаемся в том, что а ~ F.
2) F ~ const,
ai тг
Измеряя массу и сравнивая ,
- “* 1
убеждаемся в таи, что a-,
т> F
Вывод, a = —
m
- второй закон Ньютона.
Сила, действующая на тело, равна призведению массы телД
па сообщаемое этой силой ускорение
m а F - сила
[ F ] = —— Н ( Ньютон )
Си кг
н —Ньютон
3. Второй закон Ньютона показывает:
приложенная к телу сила определяет его ускорение;
— сила — причина изменения движения (скорости);
— направление ускорения всегда совпадает с направлением
силы,
- г справедлив для любых сил;
— если на тело действуют несколько сил, то берется результи-
рующая этих сил ( R ).
4. Сложение сил при трех различных углах между ними:
прямом Ct =>= 90°, остром <Х < 90®; тупом Ct >90®.
R =VfJ+f2
Я = Vf^ +fg +2F1F2COBCX
Блок 2
21
10. ТРЕТИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА
Тела действу ют друг на друга с силами, направленными
вдоль одной прямой, равными по модулю и
противоположными по направлению
а
Wli=m2, Sl“
mi < w; si >«2; ^(>!^ J
1 oi! m2 ->
=— => miai ~—т%аъ
I ^2 f
F\ = -F2
Третий закон Ньютона выполняется:
во всех случаях при взаимодействии тел;
— силы взаимодействия имеют одинаковую природу.
{Исаак Ньютон I "Математические начала
< (1643-1727) | натуральной философии"
«Ж ~
1. Первый закон Ньютона утверждает, что существуют
инерциальные системы отсчета, и позволявших на-
ходить.
^=0 или то гГ =0 или 5* —COVst ( аГ=яО )
2. Второй закон Ньютона устанавливает связь между
силой и вызванным ею ускорением.
то томили j?=m<T
3. Третий закон Ньютона показывает, что действие
одного тела на другое носит взтмный характер.
При взаимодействии •
22
Блок 2
11. ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ГАЛИЛЕЯ
Любая система отсчета К дви-
жется разномерно и прямоли-
нейно со скоростью и
относительно инерциальной
системы К Координаты т?чки
М в системах отсчета К и К свя-
заны между собой преобразова-
нием Галилея.
где г*, г - радиусы-ве^стора
точки М всис темах Км К\
Скорости материальной точки в обеих системах отсчета свя-
заны соотношением:
^=£~' + ц I - классический закон сложения скоростей
где v J v ' - скорости точки в системах К и К\
и - скорость движения системы Кf относительно К.
Скорость теда относительно неподвижной систе-
мы отсчета v равна геометрической суз^ме скорости
тела относительно подвижной системы v' и скорости
подвижной системы относительно неподвижной и.
Следствия преобразования Галилея.
1 Ход времени одинаков в обеих системах отсчета.
t' = t - абсолютный характер времени в механике Ньютона.
2 Равенство масс в обеих системах отсчета
т ' ~т - абсолютный характер массы во всех инеониальцых
системах отсчета.
3 Равенство ускорения в обеих системах отсчета
о*' “ а - абсолютный храктер ускорения во всех инерциальных
системах отсчета.
4 . Равенство сил взаимодействия материальных точек в
инерциальных системах отсчета
- сила инвариантна (неизменна) относительно преобра-
зования Галилея
Принцип относительности Галилея - все инерциальные си-
стемы равноправны; ход времени, масса, ускорение и сила в
них записываются одинаково
Блок 2
23
12. СИЛЫ УПРУГОСТИ
При любом виде деформации возникает сила, которая
стремится вернуть тело в первоначальное состояние - °та сила
и называется силой упругости.
i ~A/vwv
^~VA/W—*•
Деформация - изменение формы и объема тела под двйсп
тем внешних сил.
< растяжение, сжатие
кручение, изгиб.
Природа сил упругости - атомы в твердом теле расположены
таким образом, что силы отталкивания одноименных элек-
трических зарядов и силы притяжения разноименных -
уравновешивают друг друга, то есть силы упругости обусловлены
взаимодействиями зарядов и являются по своей природе электро-
магнитными силами. В результате деформации электрические си-
лы стремятся возвратить атомы в первоначальное состояние.
Особенности сил упругости:
а) силы упругости являются следствием
деформации;
5) сила упругости перпендикулярна
поверхности взаимодействующих тел;
силу упругости, действующую на тело со wj>
стороны подвеса или опоры, называют JXL***'*
силой реакции опоры или подвеса; v
с) силы упругости всегда противоположно
направлены относительно основных сил;
д) сила упругости определяется по закону*
Гука:
(^упр )« — ,
где к - жесткость тела (зависит от размеров
тела и материала),
х - удлинение тела.
7с
зс м
24
Блок 2
13. ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ
Все тела притягиваются друг к другу с силой, модуль ко-
торой прямо пропорционален произведению их масс и обратно
пропорционален квадрату расстояний между ними.
— закон всемирного
тяготения.
G - постоянная всемирного тяготения
или гравитационная постоянная.
/и/
О рчр>*
(ьмю^\ cIumu
Если mi = mg =1кг; г = 1м, то F = G.
Ft*
G=-------
ТП1Ш2
_п Нм2
<7 = 6,67-10 11—
кг2
гравитационная постоянная.
14. СИЛА ТЯЖЕСТИ
Сила тяжести • сила притяжения тел к Земле.
Обозначим mi = М - масса Земли; m2 — ш - масса тела;
R -радиус земли.
М т
F=G—z-
/?2
F=mg
си ла тяготения сила тяжести
L гравитационные силы J
F Мт м „
о =— =;G—— = G— ускорение свободного падения д не
W R2m R2
зависит от массы т тела.
ускорение
свободного
падения.
ускорение
свободного
падения на высо-
те Я.
На экваторе д 9,78 на полюсе д =9,83-7.
с2 с2
Сила тяжести - это гравитаци-
онная сила, приложенная к центру
тяйсести тела.
Блок 2
25
15. СИЛЫ ТРЕНИЯ
1. Природа сил трения - силы трения возникают благодаря
существованию сил взаимодействия между молекулами и
атомами соприкасающихся тел.
2. Сила трения покоя.
Особенности сил трения:
- возникают при соприкосновении
двух движущихся тел;
- действуют параллельно поверхнос-
ти соприкосновения тел;
- направлены против движения тела.
Материалы
F тр п — F тр п)тах —jUjV
где/г - коэффициент трения.
Дерево по дереву
Резина по бетону
Кожа по чугуну
Сталь по стали
0,25
0,75
0,56
0,20
Для уменьшения силы трения
применяют смазку.
3. Силы трения скольжения. F тр ск
FTp —FsinCr) Ftp =/Zmgcos (X
FTp —{Лтд
4. Сила трения качения.
При одинаковой нагрузке сила трения качениг значительно
меньше силы трения скольжения.
-Fip-КЖЧ <<Frp СК
(колесо, шариковые и роликовые подшипники)
5. Сила трения в жидкостях и газах.
tp у Для уменьшения сил сопротив?
j д) —-* ления необходима обтекае-
Ъ Гл мость форм.
26
Блок 2
1G. СВОБОДНОЕ ПАДЕНИЕ ТЕЛ
Падение тел в вакууме без начальной скорости называется
свободным падением.
Q В свободном падении все тела, независимо от мас-
сы, движутся одинаково
I j Свободное падение тел является равноус-
коренным движением
Ускорение, с которым падают на землю тела в пустоте,
называется ускорением свободного падения,
g - положительно - вниз. |
g- отрицательно -вверх а
д=9,&^~ .ускорение
v с2 СВОбОДНОГО
падения.
v =gt
1 Скорость тела в свободном падении в
произвольный момент времени t
v = Vo + gt > при Vo = О
2. Путь, пройденный телом ( h ) в свободном
падении к моменту времени Л
pi2
h = Vot + ~ , При Vo -= 0
3 Значе^Ле скорости тела в свободном падении после
прохождения пути h
v = y/vi + 2p/i при Vo = О
4 Продолжительность ( At) свободного падения без начальной
скорости ( Vo = 0 ) С ВЫСОТЫ h ----5»==“"1
9? !
_2_1
9
17. ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА, БРОШЕННОГО
ВЕРТИКАЛЬНО ВВЕРХ
ХНачальная скорость тела
| г?0 = grt |, так как v = 0.
2Время подъема
t = —
9
3 Скорость тела в момент времени t
\v=vo~-gt~\.
4 Высота подъема тела (max)
h
_____2д_
Блок 2
27
18. ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА, БРОШЕННОГО ГОРИЗОНТАЛЬНО
Данное движение результат двух незави-
симых движений:
горизонтального движения, которое опи-
сывается уравнением
s — vot или х = vxt;
вертикального свободного падения ко-
торое описывается уравнением
, fft2 gvt2
к= — илиу=-^~.
2 Дальность полета: s — vot —v0
3 Скорость тела в произвольной точке траектории;
v —Vvx + v%, так как г» — v0;vy —gyt;gv у =^Уо -f gV |
19. ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА, БРОШЕННОГО ПОД УГЛОМ
К ГОРИЗОНТУ
Vox = VoCOSCT; V#y = v0 sin Ct
gv = ~g
1 Данное движение тела описывается
уравнениями*
х = Voxt; х = votcos а;
, , . gt2
y~VoVt+-^~; t/=V(/sina—
z z
2 Скорость тела в любой точке траектории:
V =Vvx +vy
vx Vox T0cos бс vy = vOy + gyt — vosinCt — gt.
3 Полное время полета
_ 2vosina
g
4 Максимальная высота подъема тела над точкой
бросания:
_ i??sin2CZ
П-max —
5 Дальность полета *Гела
v?sin2cr
8=---------
д
28s
Блок 2
20. ВЕС ТЕЛА. НЕВЕСОМОСТЬ И ПЕРЕГРУЗКИ
Вес тела - это сила, с которой тело вследствие притяжения
к Земле действует на опору или подвес
В отличие от силы тяжести, являющей-
ся гравитационной силой, приложенной
к телу, вес - это упругая сила, приложен-
ная к опоре или подвесу (т е. к связи).
/. Вес тела в различных условиях движения:
a) dnopa покоится или движется равномерно,
У
о
N — mg
Р —N
Гр =Гр = mg
Вес тела равен действующей
на тело силе тяжести.
б) опора движется с ускорением а вверх;
N — mg—та Р = т(с/ +а) Р >F.
N = mg 4- та Увеличение вес а тела, вы-
званное его ускоренным
движением, называется
перегрузкой
X -Р
в) опора движется с ускорением а вниз;
mg —N — та
N = mg — та Р ~т(д — а)1 Р < F.
N
При свободном падении а = д из Р = т(д — а) следует, что Р = О,
те. вес отсутствует.
Если тела движутся под действием силы тяжести, т.е. сво-
бодно падают, то они находятся в состоянии невесомости.
2. Примеры изменения веса тела при его ускоренном движении по
О
mv
N — mg —-
т
N = Г
р = т($ + — )
р >тв
mg—N =—*
г
N -Р
Р <mg
Блок 2
29
21. ПРИМЕРЫ ДВИЖЕНИЯ TF ~ \ ПО ОКРУЖНОСТИ
1-я часть [24]
1 Вогнутый И Еыпуклый мост.
О
яггг
mg-N=—~
К
9
mv2 v
F “ та^ = т к. —~~
R R
2. ’’Мертвая” петля.
mv2
mg +N
к
, mv2
Т +тд~ ——
К
mv2
N-mg^——
К
9
W/D
Т-тд =——
...... ....../У
4. Автомобиль на повороте
5. Тело на вр,ащак>щемся диске
wv2
R
mv2
Л
30
Блок 2
21. ПРИМЕРЫ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА ПО ОКРУЖНОСТИ
2-я часть
6. Конический маятник.
7. Велосипедист на повороте.
— = ctg Ct
тпд
F=mg ctga
9
mv
—-—mgtga
it
mv*
mgctga = —~
H
8 Вагон на повороте.
9. Шар во вращаемом конусе.
mv2
mgctga=——
R
10 ИСЗ на орбите Первая космическая скорость.
Ускорение, вызванное тяготением
г?2
Земли, а =——.
R +h
Модуль силы тяготения
Мт
r~G(7?+h)2‘
По П закону Ньютона
_ F _ л М
С =-- = Q------ .
W (Я +К?
V М у/
Следовательно, тгт = G----« = Т ——
R+h (R+hf R+h
~ М ""* км
ПриПе0 итаккак G— —g=>v—\gR ; v=7,8—
Я2 ------------ е
Блок 2
31
22. ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ НЕСКОЛЬКИХ СИЛ
Рассмотрим данный вопрос в виде решения задач.
L Автомобиль массой 1т поднимается по шоссе с уклоном ЗОР под
действием силы тяги 7 кН Коэффициент трения между шинами
автомобиля и поверхностью шоссе ОД. Найти ускорение ав-
томобиля.
т =1*103кг
F=7-103H
а=эо°
fc =0,1
а-?
гпд - сила тяжести,
сила реакции шоссе,
К; сила тяги,
Мр - сила трения
Согласно П закону Ньютона в векторной форме
имеем: mg +F •+•# +Гтр = та.
Спроецируем обе части этого уравнения на оси ОХ и ОУ г
на ось OX* -mg sma + F — FTP = та, (1)
на ось OY.^mg сова + №0 . (2)
Из уравнения (2) находим N —mgcosCX,
учитывая,что FTp — kN = к mg coset,
запишем уравнение (1) mg sina + F ~ к тд сова = та.
_F-mg (sing+fccosa) _7 -io3 -io3 -9,8(0,5 +од -оз?) м _ и
° " 10> <? ?
2. Через неподвижный блок перекинута нить, к концам которой
подвешены грузы массой 3 и 1,9 кг. Найти ускорение грузов и силу
натяжения нити. Считать, что трение в блоке отсутствует. Массой
нити и блока пренебречь
mi = 3 кг
тг —1,9 кг
а^1
Т — ?
На каждый груз действуют две
iS* сифг
-Ф А mg - сила тяжести,
Г
' z Т - сила натяжения нити.
Согласно П закону Ньютона имеем:
mig_+= mia_±
'ПЬад+’Г -тг^а.
Запишем уравнения движения грузов в проекциях на ось OY:
mig — Т = mia,
' mzg —Т = “ m2a.
Вычитая (2) из (1) имеем: I
mig — т — m%g +Т —т\а Л-т^а, с (mi —m2) = а (mi 4-т2),
_ (mi —mj)g _(з -1,9)9,8 м __ м
mi 4-т2 3 -Ы,9 с2 2,2 с2
Из(1)уравнения Т =mig — mia =mi(p — а) =3 (9,8 —2,2) =23Н
32
Блок 2
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"ОСНОВЫ ДИНАМИКИ”
Модуль а ПЕРВЫЙ ЗАКОН НЬЮТОНА
1. Как формулируется первый закон Ньютона7
2, Какие системы отсчета являются инерциальными и не-
инерциальными?
3. В чем состоит явление инерции?
4. В чем состоит свойство тел, называемое инертностью?
5. Какой величиной характеризуется инертность тела?
6. Какова связь между массами тел и модулями ускорений, которые
они получают при взаимодействии?
7. Как определяется масса отдельного тела и в чем она измеряется?
8 Каким способом измеряют массу7
9. Что представляет собой эталон массы7
10. В результате взаимодействия двух тел скорость одного из них
увеличилась Как изменилась скорость другого тела?
Модуль 9 СИЛА ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА
1. Что такое сила и чем она характеризуется7
2. Какие действия оказывает на тело нескомпенсированнаяи ском-
пенсированная сила?
3. Объясните, как устанавливают второй закон Ньютона для дви-
жения материальной точки и какой формулой его выражают и
как формулируют?
4 Какова единица измерения сплыв системе СИ? Как формулируют
определение этой единицы7
5 Каковы способы измерения силы?
6. Как^движется тело, к которому приложена сила, постоянная по
модулю и по направлению?
7. Как направлено ускорение тела, вызванное действующей на него
силой?
8. В чем заключается принцип независимости сил?
9. Верно ли утверждение: тело всегда движется туда, куда
направлена приложенная к нему сила?
10. Верно ли утверждение скорость тела определяется только
действующей на нее силой?
11. Верно ли утверждение: силы есть, а ускорения нет?
12. Если на тело действуют несколько сил, как определяется
равнодействующая этих сил7
18. Сформулируйте первый закон Ньютона, используя понятие силы.
Блок 2
33
Модуль 10 ТРЕТИЙ ЗАКОН НЬЮТОНА
1 Запишите и сформулируйте третий закон Ньютона
2 Верно ли утверждение может ли какое-то тело действовать на
другое, не испытывал с его стороны противодействия7
8. Как направлены ускорения взаимодействующих между собой тел7
4. Могут ли уравновешивать друг друга силы, с которыми взаимодей-
ствуют между собой тела7
5. Выполняется ли третий закон Ньютона при взаимодействии тел на
расстоянии посредством поля (к примеру, магнитного) или только
путем непосредственного контакта7
6. Почему при столкновении легкового автомобиля с грузовым
повреждения у легковой машины всегда больше, чем у грузовой7
7. Два человека растягивают динамометр Каждый прилагает силу
50 Н. Что показывает динамометр7
8 Приведите примеры проявления третьего закона Ньютона.
9. Как записывается первый, второй, третий законы Ньютона9
Модуль 11 ПРИНЦИП ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ ГАЛИЛЕЯ
1. Какие системы отсчета являются инерциальньгми, а какие не
инерциальными7 Приведите примеры таких систем
2 Можно ли считать инерциальными системы отсчета, неподвижно
связан]гые с Землей7
3. В чем заключается относительность движения тел7 Приведите
примеры относительности движения тел
4 Какая формула выражает классический закон сложения скорос-
тей7 Как формулируется данный закон7
5. При каких условиях справедлив классический закон сложения
скоростей7
Модуль 12 СИЛЫ УПРУГОСТИ
1 Какие виды взаимодействий существуют в природе7 К какому из них
относится взаимодействие, приводящее к появлению силы
упругости7
2 Вследствие чего появляется сила упругости7
3 Что такое деформация7 Какую деформацию называют упругой, а
какую пластичной7 Назовите виды деформации
4 При каких условиях возникают деформации тел7
5. Что такое сила упругости7 Какова природа этой силы?
34
Блок 2
6. Как направлены силы упругости?
7. Что такое реакция опоры или подвеса?
8. Перечислите особенности сил упругости.
9. Как формулируется и записывается закон Гука?
10. Что такое жесткость? Какова единица жесткости в сист< ме СИ?
И Постройте график, иллюстрирующий закон Гука.
Модуль 13 ЗАКОН ВСЕМИРНОГО ТЯГОТЕНИЯ
1 . Как формулируется закон всемирного тяготения?
2 . Какой вид имеет формула закона всемирного тяготения для ма-
териальных точек7
3 . Что называют гравитационной постоянной? Каков его физиче-
ский смысл7 Каково его значение в системе СИ?
4 Что называют гравитационным полем7
5 Зависит ли сила тяготения от свойств среды, в которой находят-
ся тела7
6 Зависит ли работа силы тяготения от траектории движения
тела? От чего зависит работа этой силы?
Модуль 14 СИЛА ТЯЖЕСТИ
1 . Что называют силой тяжести? По какой формуле определяют
модуль силы тяжести?
2 Зависит ли ускорение свободного падения тела от его массы7
3 Одинакова ли сила тяжести в различных точках земного шара7
4 . Объясните влияние вращения Земли вокруг оси на ускорение
свободного падения.
б. Как изменяется сила тяжести при удалении тела от поверхности
Земли?
6. Куда приложена и как направлена сила тяжести, действующая
на любое тело?
7. Какое числовое значение ускорения свободного падения исполь-
зуется в расчетах?
Модуль 15 СИЛЫ ТРЕНИЯ
L Какие силы называют силами трения?
2. Какова классификация основных видов трения?
3. Какое трение называют внешним и какое внутренним?
4 Назовите вида внешнего тр^ия Когда они возникают?
Блок 2
35
5 . Дайте физическую суть трения покоя Напишите формулу закона,
определяющего модуль силы трения покоя
6 Что представляет собой коэффициент трения покоя?
7 Сделав чертеж и расчет, объясните, как на опыте определить зна-
чение коэффициента трения покоя
8 . В чем заключается физическая суть трения скольжения? Напишите
формулу закона, определяющего модуль силы трения скольжения
9 Что представляет собой коэффициент трения скольжения7 От чего
зависит его значение7
10. Охарактеризуйте трение качения Сделав чертеж, попытайтесь
объяснить природу возникновения силы трения качения
11. Объясните роль смазки. Какое трение называют сухим?
12. Существует ли трение покоя в жидкостях и газах?
13. От чего зависит сила сопротивления движению тела в жидкости и
газе?
14. Как влияет форма тела на его скорость при движении в жидкостях
и газах7
Модуль 16 СВОБОДНОЕ ПАДЕНИЕ ТЕЛ
1 Что называется свободным падением тел? При каких условиях па-
дение тел можно считать свободным7
2 Каким видом движения является свободное падение тел? Объясни-
те опыты свободного падения тел, используя метод стробоскопи-
ческого освещения
3 Зависит ли ускорение свободного падения тел от их массы7
4 От чего зависит ускорение свободного падения?
5 Как изменится ускорение падающего тела, если толкнем тело вниз,
сообщив ему начальную скорость?
6 Напишите формулы, описывающие свободное падение тел:
а) скорость тела в любой момент времени,
б) путь, пройденный телом к определенному моменту времени;
в) значение скорости тела после прохождения определенного пути;
г) продолжительность свободного падения с определенной высоты.
Модуль 17 ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА, БРОШЕННОГО
ВЕРТИКАЛЬНО ВВЕРХ
1 С каким ускорением движется тело, брошенное вверх? Чему равно
и как направлено это ускорение7
2 В каких случаях ускорение свободного падения берется со знаком
а гюгда со знаком "-"?
36
Блок 2
3. Чем объясняется то, что все тела независимо от их массы движутся
при их падении, а также при движении тела, брошенного верти-
кально вверх, с одинаковыми ускорениями?
' 4. Учитывается ли сопротивление воздуха в формулах, описывающих
свободное падение тел и движение тела, брошенного вертикально
вверх?
5. Напишите формулы, описывающие движение тела, брошенного
вертикально вверх:
а) скорость тела в любой момент времени;
б) максимальная высота подъема тела;
в) высота, на которую поднимется тело за определенное время;
г) значение скорости при прохождении определенного пути;
д) начальная скорость тела;
е) время подъема тела.
Модуль 18. ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА, БРОШЕННОГО
ГОРИЗОНТАЛЬНО
1. Результатом каких двух независимых движений является движение
тела, брошенного горизонтально?
2. Напишите формулы, описывающие движение тела, брошенного
горизонтально:
а) уравнения координаты в любой точке траектории;
б) время падения тела;
в) дальность полета;
г) скорость тела в произвольной точке траектории
Модуль 19 ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА, БРОШЕННОГО
ПОД УГЛОМ К ГОРИЗОНТУ
X Результатом каких независимых видов движений является движе-
ние тела, брошенного под углом к горизонту7
Я Напишите формулы, описывающие движение тела, брошенного под
углом к горизонту:
а) уравнения, описывающие движение тела в любой точке траекто-
рии;
б) скорость тела в любой точке траектории;
в) полное время полета;
г) максимальная высота подъема тела над точкой бросания;
д) дальность полета тела.
Блок 2
37
Модуль 20 ВЕС УГЛА. НЕВЕСОМОСТЬ И ПЕРЕГРУЗКИ
L4to называют весом тела7
2 . В чем различие мезхду весом тел а и силой тяжести, действующей на
тело7
3 С помощью какого прибора определяется вес тела7
1 В каком случае вес тела равен силе тяжести, действующей на это
тело7
5. Как изменится вес тела при его ускоренном движении? Выведите
формулы, по которым определяется вес ускоренно движущегося
тела Что такое перегрузка7
о Изменится ли вес тела, если оно движется с ускорением в горизон-
тальном направлении7
7 Как изменится вес космонавта при старте ракеты и при торможении
приземляющегося корабля7
8 Когда наступает невесомость7 В чем она проявляется?
9 Как изменится вес тела при его ускоренном движении по вогеутой и
выпуклой части окружности?
Модуль 21 ПРИМЕРЫ ДВИЖЕНИЯ ТЕЛА
ПО ОКРУЖНОСТИ (1 я часть; 2-я часть)
1. Каков алгоритм решения задач по теме "Примеры движения тела по
окружности7"
2. Как записывается второй закон Ньютона для движения тел по
окружности в вертикальной плоскости
а) автомобиль движется по выпуклому и вогнутому мосту,
б) самолет делает "мертвую петлю",
в) тело вращается на веревке в вертикальной плоскости.
3 Как записывается второй закон Ньютона для движения по окруж-
ности в горизонтальной плоскости
а) автомобиль поворачивает по горизонтальной дороге,
б) тело вращается на диско, удерживаясь на нем за счет силы
трения;
в) для конического маятника,
г) велосипедист на повороте,
д) движение вагона на повороте;
е) движение шарика во вращающемся конусе
4 Как должна быть направлена скорость тела в момент его выхода на
круговую орбиту, чтобы оно стало искусственным спутником Земли?
5 . Что такое первая космическая скорость? Выведите формулу для ее
определения. Чему равна первая космическая скорость для Земли7
Блок 2
6 Можно ли считать движение искусственного спутника Земли
равноускоренным7
7 В п&ком состоянии находятся тела на искусственных спутниках
Земли7
Модуль 22 ДВИЖЕНИЕ ТЕЛА ПОД ДЕЙСТВИЕМ
НЕСКОЛЬКИХ СИЛ
1 Каков алгоритм по решению задач на движение тела под действиек
нескольких сич7
2 Как записьшается и формулируется второй закон Ньютона, если на
тело действуют несколько сил7
3 При решении задач на движение тела под действием нескольких сил
вы должны уметь выполнять следующие операции
а) правильно еде чать чертеж, рисунок, поясняющий процесс, опи-
санный в задаче,
б) выбрать удобную систему координат, связанную с точкой отсчета
в) записать уравнения, связывающие отдельные кинематические
характеристики, в проекциях на координатные оси,
г) определить значение координат скорости ускорения в выбранной
системе отсчета,
д) записать дополнительные условия, связьЕвающие кинематиче
с кие величины,
е) решить составленную систему уравнении относительно искомой
величины,
ж) произвести вычисления и оценить результат
Блок 3
39
ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИКИ
Статика - раздел механики, в котором изучаются условия
равновесия тел, т.е. условия, при которых тело покоится под
внешним воздействием. Невыполнение условий равновесия тел
приводит к изменению состояния покоя тел или их равномерно-
го движения, т.е. к появлению ускорения.
Содержание 3-го блока
/3. Условия равновесия тела. Правило моментов . . .40
24. Сложение сил.............................41
25. Рычаги. Виды равновесия тела.............42
26. "Золотое правило” механики .............,43
Вопросы для самоконтроля по блоку
"Элементы статики”........................44
40
Блок 3
23. УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ ТЕЛА. ПРАВИЛО МОМЕНТОВ
Всякое тело под действием сил может двигаться поступатель-
но или вращаться вокруг какой-нибудь оси. При равновесии не
должно изменяться ни поступательное, ни вращательное дви-
жение тела.
1. Равновесие тел при отсутствии вращения.
F\ +Г2 =0
Чтобы тело, которое может двигаться по-
ступательно (без вращения), находилось в
равновесии, необходимо, чтобы геометрии
ческая сумма сил, приложенных к телу, бы-
ла равна нулю.
2. Равновесие тел с закрепленной осью вращения. Момент силы
Правило моментов.
| Af = Fd
[М ] = Н*м
Величина, равная проиэ
ведению модуля силы F на
ее плечо <4 называется мо-
ментом С ИЛЬЕ
т О - ось вращения; d - плечо силы F
Перпендикуляр, опущенный из оси
вращения на прямую, вдоль которой дейст-
вует сила, называется плечом силы.
Момент силы характеризует
вращательное действие этой силы.
Принято:
моменты сил, вращающих тело против часовой стрелки,
считать положительными (М2 — Fzdz >0), а по часо-
вой стрелке - отрицательными (Mi = F\di <0).
Условие равновесия с закрепленной осью:
F\d\ —Fzdz или — F\d\ + F%dz =0
Правило моментов.
Тело, имеющее неподвижную ось вращения, находится в
равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех дейст-
вующих на тело сил относительно данной оси разна нулю
Mi = М2 или — М\ + Ми = 0
Общие условия равновесия тела:
а) равнодействующая всех сил,, действующих
на тело, равна нулю;
б) симма моментов всех сил равна нулю.
Блок 3
Я
24. СЛОЖЕНИЕ СИЛ
Если на тело действуют несколько сил, их можно свести к
одной равнодействующей, отдельные силы называют состав-
ляющими.
Сложение сил - это нахождение их равнодействующей
по заданным составляющим.
Рассмотрим частные случаи сложения сил.
1. Силы, действующие по одной прямой:
а) в одном направлении —
......* | R =1\ +Г2 ~|
б) в противоположные стороны —
*—*- К О .~К t_____________,
’ 1 |Л=Г1-К2 ]
Силы складываются алгебраически в зависимости от их
направления.
2. Силы, приложенные к одной точке при разных углах между
ними:
а)прямом (<2=90°);
R = vH 4-F§ по теореме Пифагора.
б) остром или тупом ( а < 90°; а >90° ).
R = VH +F% +2F\F2Cota
по теореме косинусов..
* < М*
Равнодействующая определяется правилом
параллелограмма. Силы складываются геометрически,
3. Силы, приложенные к разным точкам.
Силы следует переместить вдоль линии
их действия до точки пересечения и
определить равнодействующую по
правилу параллелограмма.
4. Несколько сил, приложенных к одной точке.
HV=^FV
R ~>JrI +r%
Используется правило многоугольника сложения векторов.
42
Блок 3
25. РЫЧАГИ. ВИДЫ РАВНОВЕСИЯ ТЕЛА
L Рычаги.
Рычагом называют твердое тело, имеющее неподвиж-
ную ось вращения, на которое действуют силы, стремя-
щиеся повернуть его вокруг своей оси*
Рычаги различают:
а) первого рода
(коромысло, ножницы)
М1 — Мг
F\l\ = F2I2
Fz l\
б) второго рода.
(педали, двери)
При равновесии рычага под действием двух сил модули
этих сил обратно пропорциональны их плечам
2. Пара сил.
Две равные по модулю антипараллельныв силы,
приложенные к телу в разных точках, называют парой сил.
г ось вращения Mi+М2 =Н1+И2 =F(h ЧЧ2) *0 ~
I тело не находится в равновесии,
д а * где I = h + I2- плечо пары сил.
6I с- |м =.F7l момент пары сил.
(рулевое колесо автомобиля, магнитная стрелка)
3. Виды равновесия тела, имеющего точк- ''поры:
устойчивое неустойчивое безразличное
Устойчивое - если равнодействующая сил возвращает тело к
положению равновесия, если удаляет - неустойчивое.
4. Виды равновесия тела с закрепленной осью вращения:
устойчивое неустойчивое безразличное
Устойчивое — если центр тяжести выше оси вращения, нао-
борот — неустойчивое.
5. Виды равновесия тел, имеющих площадь опоры.
Д) Г)
Если вертикаль, проведенная через центр
тяжести тела, пересекает площать его
опоры - устойчивое положение тела (а.б).
если не пересекает (г) - тело падает, (в) - :
Блок 3
43
26. ’ЗОЛОТОЕ ПРАВИЛО” МЕХАНИКИ
Простыми механизмами называются устройства,
позволяющие совершить работу без применения ис-
точников немеханическои энергии.
Простые механизмы не могут изменить работу, с их помощью
удается изменить величину или направление силы, со-
вершающей работу
Рассмотрим несколько примеров, где в силу вступает ’’золо-
тое правило” механики:
Во сколько раз "выигрываем” в силе, во столько же
раз’проигрываем” в расстоянии.
1 Рычаг.
\f\1\ —F2I2 !
- 1 . I
Fl _Z2
— — — или
F2
Лп ~ F2/l2.
- правило рычага.
нагрузка __ плечо силы
сила плечо нагрузки
Л3 = ~F\h\
2. Наклонная плоскость.
Ft - сила тяжести, действующая
на тело, раскладывается на две состав-
дяющие:
д 1) FCK - скатывающая сила
h
FCK = mg sin# = mg~;
Lt
2) FH - сила нормального давления
d
FH = mg cos# = mg-.
L
Лц F cKL
Из подобия треугольников имеег:
3 Неподвия^ 1 блок.
л9 = Frh = mgh
4 Подвижный блок.
Fid] — F2d^
сила равна
нагрузке.
Изменяется только направ-
ление силы.
Fi2d =F2d
ЕЭ
сила равна по-
ловине на"-
рузки.
Лэ —Fth
44
Блок 3
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
’’ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИКИ"
Модуль 23 УСЛОВИЯ РАВНОВЕСИЯ ТЕЛА. ПРАВИЛО
МОМЕНТОВ
1. Что означает выражение: тело или система тел находятся в состоя-
нии равновесия7
2. В чем состоит условие равновесия тел, движущихся поступательно
(при отсутствии вращения)?
3 Что называют плечом силы?
4. Что называют моментом силы7 Какая формула выражает смысл
этого понятия? Какова единица измерения момента силы в сис-
теме СИ?
5. Какую роль играет момент силы во вращательном движении7
6. Как определяется знак момента силы? Чему равен момент силы,
проходящей через ось вращения?
7. Сформулируйте и запишите условие равновесия тела с закреплен-
ной осью вращения, т е правило моментов
8 Каковы общие условия равновесия любого твердого тела?
Модуль 24. СЛОЖЕНИЕ СИЛ
1 Что такое сложение сил?
2 . Какую силу называют равнодействующей, а какие силы называют
составляющими7
8 Чему равна равнодействующая двух сил, действующих на тело пс
одной прямой в одинаковом и противоположных направлениях7 На-
пишите соответствующие формулы.
4 Сделав пояснительный рисунок, сформулируйте правило сложения
сил (правило параллелограмма)
5 Как определяется равнодействующая двух сил, приложенных к од
ной точке при разных углах между ними (прямом, остром и тупом)7
6 По какой формуле определяется модуль равнодействующей двух
сил, приложенных к одной точке?
7. Как определяется равнодействующая двух сил, лежащих в одной
плоскости, но приложенных в различных точках тела?
8. Сложите две си ты по способу треугольника.
9. Как производится сложение нескольких сил, приложенных к одной
точке7
10 . Что называется разложением сил? По какому правилу его произво-
дят?
11 Как производится вычитание сил?
Блок 3
45
Модуль 25. РЫЧАГИ. ВИДЫ РАВНОВЕСИЯ ТЕЛА
1Что такое рычаг? Какой рычаг называют рычагом первого рода,
а какой второго рода? Приведите примеры рычагов первого и
второго рода.
2. Выведите формулу, выражающую зависимость между модулями?
сил, приложенных к рычагу, и плечами этих сил.
8. Каково применение рычагов?
4. Что называют парой сил?
5. Какое действие вызывает пара сил и имеет ли она равнодейст-
вующую?
6. Вокруг какой оси будет вращаться тело под действием пары сил,
не имеющей ось вращения?
7. Сделав рисунок, охарактеризуйте виды равновесия тел, имею-
щих:
а) точку опоры;
6) закрепленную ось вращения;
в) площадь опоры.
8. Какое равновесие называют устойчивым, неустойчивым И
безразличным?
9. Что называется центром масс тела?
10. Что называется центром тяжести тел?
11. Как опытным путем можно найти центр тяжести тела?
Модуль 26. ’ЗОЛОТОЕ ПРАВИЛО” МЕХАНИКИ
L В чем состоит "золотое правило" механики?
2 Можно ли с помощью простого механизма получить выигрыш в
работе?
3. Проиллюстрируйте это правило, рассмотрев работу, совершен*
ную с помощью рычага, наклонной плоскости и других простых
механизмов.
4. Что называют коэффициентом полезного действия? Какая
формула выражает смысл этого понятия?
5. Может ли значение КПД быть больше единицы?,
46
Блок 4
ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В МЕХАНИКЕ
Основными законами сохранения в механике являются закон
сохранения импульса и закон сохранения энергии.
В замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел ос-
тается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы
между собой - гласит закон сохранения импульса. Знание закона
дает возможность выполнения расчетов взаимодействия различ-
ных тел - от планет и звезд до атомов и элементарных частиц.
Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, она
лишь изменяет свою форму и переходит от одной системы к другой
в эквивалентных количествах - таков закон сохранения энергии.
Этот закон является одним из важнейших законов во всех науках
о природе. Любой теоретический вывод проверяется ’’испытани-
ем” на справедливость этим законом.
Содержание 4-го блока
27. Импульс тела...............................47
28. Реактивное движение.........................—
29. Механическая работа........................48
30. Мощность....................................—
31. Энергия....................................49
32. Кинетическая энергия........................—
33. Потенциальная энергия.......................—
34. Закон сохранения энергии в механике......... 50
35. КПД механизмов . . . .......................—
Вопросы для самоконтроля по блоку
” Законы сохранения в механике”.............51
Блок 4
47
27. ИМПУЛЬС ТЕЛА
Импульсом или количеством движения тела называется
произведение массы тела на его скорость.
> кг ’м
р -ту [ р ] = —~— — Нм Импульс - векторная величина,
являющаяся мерой механического движения, его
направление совпадает с направлением скорости.
у - v0 _ Д г
а~ At ~ д7
Др = тДгГ=гДг
-> Дг> ту— ту0 Др
F = та = т-т-7 =------т—---= ~г--
Дг At Дг
Изменение импульса тела равно
импульсу С ИЛЬЕ
Закон сохранения импульса.
Согласно третьему закону Ньютона имеем:
F\ — — F2, умножим равенство на At
F\At = —F^^t, так как
F\&t —т\у{ ~т\у\, а
?гД{ =т2У2 —mzv2, то имеем
т\у\ — т\У1 = — ( Ш2У2 — WI2V2), отсюда
mini + т2У2 —т\у{ +тг^2
т\у\ +тп2^2 — (Ш1 Ч-тг)^
упругое
соударение
неупругое
соударение
Сумма импульсов до взаимодействия равна сумме им-
пульсов после взаимодействия.
Геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замк-
нутую систему, остается постоянной при любых взаимодейст-
виях тел этой системы между собой.
28 РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ
Движение тела, возникающее вследствие отделения от него
части его массы с некоторой скоростью, называют реактивным.
Реактивное движение - это практическое использова
ниезаконадохранения импульса. *
Д тГуГ + ШобУоб = о, тГу? = - товУоб
ТИг
Шсб
48
Блок 4
29. МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА
Механической работой называют скалярную величину,
равную произведению модуля силы, действующей на тело, на
модуль перемещения и на косинус угла между векторами си-
лы и перемещения (или скорости)
Частные случаи
A —F * s • cosCt
[ А ] — И ’ м — Дж
L ч Если направление силы совпадает
| J * с направлением движения тела, т.е. CZ ~0, то
2. Если сила направлена перпендикулярно к
| направлению движения тела, те. Ct =9 в,
I—ЕД— то А =0.
Следовательно, сила не производит работы,
если тело перемещается в направлении, пер-
S пендикулярном к направлению действия си-
лы.
8. г v
х. Если угол между направлением силы и
1^» '! направлением движения тупой, т.е. Ct > 90°,
то Л = —F • scosCt.
Л
4. Г г------1 Если перемещение происходит в сторону,
е,‘ Г ’ ' I— противоположную направлению вектора си-
-//ЛЬ/ДЛ?»- лы, т.е. а =180°, то cosCt = —1, тогда
$A = ~F'8 , значит, работа силы
сопротивления отрицательная.
30. МОЩНОСТЬ
Мощностью называется величина, равная отношению
работы ко времени, в течение которого она совершается
"=7
Единица СИ мощности
|«)=^=Вт.
с
Внесистемная единица
мощности
1лс*=735Вт.
Связь между мощностью и скоростью при равномерном движении:
A FscosCt s
N = у; так как А = F • з • cosCt, тогда N = —-— , цо - = v ,
следовательно,) jV =/^rcosCrj.
В технике используются единицы работы и энергии.
JBt - с = 1Дж; 1Вт • ч = 3,6 • 103Дж; 1кВт -ч = 3,6 • 106Дж
Блок 4
49
31 ЭНЕРГИЯ
Механической энергией тела называв гея скалярная величи-
на. равная максимальной работе, которая может быть со*
вершена в данных условиях.
Едини ;а СИ энергии [ Е ] = Дж = Н -м — Вт *с
Механическая работа есть мегх изменения энергии В
различных процессах п |
Различают два вида механической энергии - кинетическая Ek и*
потенциальная Ер энергия.
LE =Ek +ЕР I — полная механическая энергия.
Еь =-----
2
32. КИНтйЧъСКАЯ ЭНЕРГИЯ
Энергия тела, обусловленная его движением?
(скоростью), называется кинетической Ек~
Определим работу силы, приложенной к те-*
лу, при изменении модуля скорости от
Vi до V2. A ~F S, так как Е ~ та;
то А = F 'S = та •
vl — v? mv2 mvf
2а “~2 2^
ПЛИ ^4 = Ek2 “ Ек\ = &Ек
-_V2~yl
2а 1
2 zT
_ mv2 mv\
А ~ 2 2
Работа, совершаемая телом при изменении скорости те~
ла, равна изменению кинетической энергии.
33. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ:
Ер = mgh Энергию тела, обусловленную взаимным
------—J расположением взаимодействующих между
собой тел, называют потенциальной Е?»
-т-^О -г Определим работу силы тяжести на пути АВ.
ИЛИ А — “ (Е?2 “Е?1) = “ ДЕр
* А = F-t h, так как Ет = mg, h — hi — h2 , то получим
A =Fi h-mg (hi —Л2) — — (mgh2 “mghi ).*
A = - (mgh2-mghi^
Работа силы тяжести равна изменению потенциальной
энергии, взятому с противоположным знаком,
кх2
Ер — — потенциальная энергия упруго деформированного тед«аА
где к жесткость пружины, х—удлинение пружинь^
50
Блок 4
34. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИКЕ
Е ~Ек +ЕР = const
Полная механическая энергия замкнутой системы тел, вза-
имодействующих между собой только консервативными си-
лами, при любых движениях этих тел не изменяется.
Происходят лишь взаимные превращения потенциальной
энергии тел в их кинетическую энергию, и наоборот
или Epi +Eki ~ЕР2 +Екъ
закон сохранения энергии
Пример:
Рассмотрим движение тела в замкнутой систе-
ме, в которой действуют только консервативные
силы.
Пусть тело массой m свободно падает на Землю с
высоты hi. В точке А Е?\ —mgh\; Eki =0.
Полная энергия в т. А Е —Ер^ +Ек\ — mghi + 0.
При падении тела потенциальная энергия уменьшается
на столько, на сколько увеличивается кинетическая
энергия
Следовательно происходит переход потенциальной энергии тела
в его кинетическую, т.е. ^Ек— ~ &ЕР.
mv2
В точке В Ер2 = wfo; Екг = ~~7~ •
£
*>
mv
Полная энергия втВ Е —Ер^ 4- Екг = mghz -I——.
Согласно закону сохранения энергии имеем:
mv2
ЕР1 + Ек^ = + Екъ, или mghi 4- 0 = —+ mgh%,
35. КПД МЕХАНИЗМОВ
Совершение работы механизмами и машинами связано с неиз-
бежными потерями части их энергии на преодоление сич
сопротивления движению, сил трения и т.д.
Для характеристики машин как преобразователей
энергии введен коэффициент полезного действия (КПД).
Ап
Ч=Т3
КПД называют величину, равную отношению полезной
работы, совершаемой машиной, ко всей затраченной (полной)
работе.
Значение КПД всегда меньше единицы.
Блок 4 51
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В МЕХАНИКЕ”
Модуль 27. ИМПУЛЬС ТЕЛА
1.Что называют импульсом тела и имульсом силы?
2. Запишите формулу импульса тела.
3. Запишите формулу импульса силы.
4. Какова единица измерения импульса тела в СИ? Как 0Н&
формулируется?
Б.Что такое замкнутая система тел?
6. Какую систему тел называют незамкнутой?
7. На примере взаимодействия двух тел в замкнутой системе покйз
жите, как устанавливают закон сохранения импульса?
Модуль 28. РЕАКТИВНОЕ ДВИЖЕНИЕ
L Какое движение называется реактивным?
2. Верно ли утверждение: для осуществления реактивного ДВИЖЕ-
НИЯ не требуется взаимодействия с окружающей средой?
3. На каком законе основано реактивное движение?
4. Для ускорения нужна сила, а сила - это действие одного телашы
другое. Почему же ускоряется ракета, когда в космическому
пространстве вокруг нее нет никаких тел?
5. От чего зависит скорость ракеты?
6. Запишите закон сохранения импульса для реактивного дви^йё*
ния.
7. Когда и где был запущен первый искусственный спутник Земли?
Нодуль 29. МЕХАНИЧЕСКАЯ РАБОТА.
1. Что называют механической работой? Какая формула
выражает смысл этого понятия?
2 В каких случаях о силе можно сказать, что она совершает
работу?
3 В каком случае сила совершает положительную работу и ®
каком— отрицательную?
4. Чему равна работа силы, если эта сила направлена под острым К
тупым углом к перемещению тела?
5. При каком условии сила, приложенная к движущемуся телу, нф
совершает работу?
6 Какова единица работы в СИ? Сформулируйте определение этой*
единицы.
7. Автомобиль движется по ровной дороге. Совершает ли работу
сила тяжести, действующая на автомобиль?
52
Блок 4
8. Тело брошено вертикально вверх. Укажите, положительную или
отрицательную работу совершает сила тяжести:
а) при подъеме тела;
б) при его падении.
Модуль 30. МОЩНОСТЬ
1 Что называют мощностью? Какая формула выражает смысл этого
понятия7
2 Какова единица мощности в СИ? Сформулируйте определение этой
единицы измерения.
3 Что такое лошадиная сила и каково ее соотношение с ваттом?
4 К числу каких величин, скалярных или векторных, относится мощ-
ность?
5 . Какова связь между скоростью равномерного движения транспорт-
ного средства и мощностью его двигателя? Выведите и объясните
эту формулу.
6 Как называют единицу работы, которая производится в течение I с
при мощности I Вт9 Какие аналогичные, но более крупные единицы
вы знаете?
Модуль 31. ЭНЕРГИЯ
1 Что называют энергией?
2. Какие формы энергии вы знаете и какими символами они обозна-
чаются7
3. Какова единица измерения энергии в системе СИ? Сформулируйте
определение этой единицы.
Модуль 32. КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ
1 Выведите формулу для подсчета работы, совершаемой при измене-
нии скорости тела
2 .Что такое кинетическая энергия? Какая формула выражает смысл
этого понятия? Скалярная это величина или векторная7
3 Выведите формулу работы, совершаемой силой при изменении
скорости тела (теорему о кинетической энергии).
4 Как изменится кинетическая энергия тела, если сила, приложен-
ная к телу, совершает положительную работу7
5 Как изменится кинетическая энергия тела, если сила, приложен-
ная к нему, совершает отрицательную работу7
6 Изменится ли кинетическая энергия движущегося тела при изме*
нении направления вектора его скорости?
7 . В каких единицах измеряется кинетическая энергия в системе СИ?
Блок 4
Модуль 33. ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ
1 Какую энергию называют потенциальной?
2. Какая формула выражает смысл потенциальной энергии тела,
находящегося на некоторой высоте над землей?
3. Выведите формулу работы силы тяжести при переносе ма-
териальной точки между двумя точками, находящимися на
разной высоте над землей?
4. Зависит ли работа силы тяжести от траектории движения тела
в поле тяготения Земли?
5. Чему равна работа силы тяжести по замкнутой траектории?
6. Как изменяется потенциальная энергия при движении вверх?
7 Какую энергию называют энергией взаимодействия, а какую
энергией движения и почему?
3 По какой формуле определяют потенциальную энергию упруго
деформированного тела?
9. Запишите формулу силы упругости.
10. Чему равна работа силы упругости, если тело, на которое она дейст-
вует, пройдя некоторое расстояние, вернулось в исходную точку?
11. Что общего у потенциальных энергий тела, на которое действует
сила тяжести, и тела, на которое действует сила упругости?
Модуль 34. ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ
В МЕХАНИКЕ
1 Что такое полная механическая энергия?
2. Выведите формулу, выражающую закон сохранения полной ме-
ханической энергии тела при его движении под действием силы
тяжести.
3. Сформулируйте и запишите закон сохранения полной механиче-
ской энергии.
4. В каких системах выполняется закон сохраненья полной меха-
нической энергии в общем виде7
5. На втором этаже потенциальная энергия дров больше,
чем на первом. Будет ли получена от сжигания этих дров на
втором этаже большая энергия по сравнению с той, которая
была бы получена при их сжигании на первом этаже?
Модуль 35. КПД МЕХАНИЗМОВ
1.Что называют коэффициентом полезного действия (КПД)?
2 Напишите формулу КПД.
3. Почему значение КПД всегда меньше единицы?
4. Что понимается под полезной работой, совершаемой механиз-
мом7
5. Что понимается под всей затраченной (полной) работой?
54
Блок 5
ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРО - И АЭРОМЕХАНИКИ
В данной главе рассматриваются вопросы гидроаэростатики и
гидроаэродинамики.
Гидроаэростатика занимается изучением покоящихся жидко-
стей и газов с учетом того, что жидкости и газы не имеют собст-
венной формы и объема, так как их молекулы слабо
взаимодействуют друг с другом. Законы гидроаэростатики осно-
ваны на существовании в жидкостях и газах давления, действую-
щего равномерно по всем направлениям.
Гидроаэродинамика изучает законы движения жидкостей и га-
зов с учетом то го, что их движение происходит под действием
силы тяжести, разности давлений и т.д. Законы
гидроаэродинамики широко используются в гидравлике, в плава-
нии и воздухоплавании тел.
Содержание 5-го блока
36. Давление. Единицы давления 55
37, Атмосферное давление. Опыт Торричелли . .—
38. Гидростатическое давление . г .56
39. Закон Паскаля для жидкостей и газов . . . > —
40. Закон сообщающихся сосудов 57
4L Гидравлический пресс .—
42. Закон Архимеда . , . < • л • • е е • ЛЗ
43. Движение жидкостей и газов 59
44. Давление внутри движущихся жидкостей
и газов . . ,.............о ,.........., с 6Э
Вопросы для самоконтроля по блоку
’’Элементыгидро-и аэромеханики* , , . , 61
Блок 5
55
Ш1
36. ДАВЛЕНИЕ. ЕДИНИЦЫ ДАВЛЕНИЯ
Давлением называют величину, равную отношению модуля
силы давления, действующей перпендикулярно к площади этой
поверхности р = — .ВСИ- [р] =
о
— =Па (паскаль),
ъг
Внесистемные единицы давления:
а) техническая атмосфера (ат). 1-ат = 9,8 • 104 Па;
б) физическая атмосфера (атм), равная давлению, ггооизводимому
столбом ртути высотой 760 мм. 1атм = 1,033ат = 101325 Па;
в) миллиметр ртутногс столба (ммлэт.ст.).
1мм.рт.ст. «133,3 Па,
г) бар (в метеорологии используется миллибар) . 1бар =10& Па#
1мбар = 102 Па.
37. АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕНИЕ-
ОПЫТ ТОРРИЧЕЛЛИ
L . Земля окружена воздушной оболочкой - атмосферой, состо-
ящей из смеси различных газов. Слои воздуха, расположенные*
выше, давят на лежащие ниже слои, таким образом оказывая
давление на поверхность Земли и на все находящиеся на ней
тела Это давление называют атмосферным.
Опыт Торричелли (1634 ) свидетельствует!
атмосферное давление равно давлению стоя-
ба ртути в трубке.
Атмосферное давление, уравновешивав
емое при 0° С столбом ртути высотой
h — 760 мм, считается нормальным и на^
зывается нормальной, или физической
рш/пь атмосферой 1 атм.
1атм — 760мм.рт ст. = 101325 Па *
2
3. Барометры.
Приборы, предназначенные для измерения атмосферного дав-
ления. называются барометрами.
а ) б)
жидкостный открытый
барометр
металлический
барометр-анероид
Блок 5
38. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ
Давление, обусловленное весом столба жидкости, называет*
л гидростатическим давлением.
1 Давление жидкости на дно и стенки сосуда.
П”7 Давление на произвольной глубине несжимаемой
жидкости определяется формулой:
— Р ~Pgh — давление столба жидкости.
Гидростатическое давление одинаково во всех
направлениях: формула р = pgh определяет давление на
любую площадку, помещенную на глубине h, независимо
от того, будет ли она горизонтальна, вертикальна или
расположена под каким-либо углом к горизонту.
21 ^Гидростатический парадокс”.
Гидростатическое давление зависит только от высоты столба
жидкости, но не зависит ни от формы сосуда, ни от площади его
дна. Следовательно, оно не зависит и от веса жидкости.
а) б) в)
Р»
Sa 5Г
Сила давления на дно Fa может быть больше веса жидкости
Р*. в сосуде (рис. в) и меньше его (рис. б).
39. ЗАКОН ПАСКАЛЯ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
Жидкости и газы передают оказываемое на них давление
одинаково по всем направлениям.
Давление на единицу поверхности жидкости,
вызванное наличием груза (поршня)
mg
Ро = где m — масса поршня,
S— площадь поверхности жидкости под
поршнем.
Давление р на произвольной глубине h сжимаемой
Поршнем жидкости определяется давлением поршня и
давлением столба жидкости.
р =р. +pgh
Блок 5
57
40. ЗАКОН СООБЩАЮЩИХСЯ СОСУДОВ
Сообщающимися называются сосуды, имеющие между со-
бой канал, заполненный жидкостью.
2. Разнородные жидкости.
1.. Однородная жидкость.
hi — hi, — h
Pl =P2
hi < hi
Pl =P2
fa
hz Pi
Однородная жидкость
всегда устанавливается на
одном уровне.
Высоты взаимо уравнове*
шейных столбов разнородных
жидкостей обратно пропор-
циональны плотностям жид-
кости.
41. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС
Л7ЛС/1О - -
Гидравлический пресс представ-
ляет собой два сообщающихся сосу-
да цилиндрической формы и
различного диаметра, в которых
имеются поршни, площади их
различны ($2 >Si.) Цилиндры за-
полнены жидким маслом.
Сила Fi действует на поршень £i, создает в жидкости давление
F1
Р = —. По закону Паскаля это давление передается жидкостью по
всем направлениям без изменения На поршень S2 действует сила
F2^pS2=—S2.
Из равенства следует
F2 S2
Fi ~Si
При работе гидравлического пресса создается выигрыш в си-
ле, равный отношению площади большого поршня к площади
меньшего,
h2 Si F2 hi _ ,
так как hi$i — hzSz => = шо— = — =>Fihi =Г2па
hi S2 Fi hi
Работа, совершаемая при опускании малого поршня,
равна работе, получаемой от действия гидравлического
пресса.
5.8
Блок 5
42. ЗАКОН АРХИМЕДА
11а тело, погруженное в жидкость или газ, действует вытал-
кивающая сила, равная весу того количества жидкости или
газа, которое вытеснено погруженной частью тела.
^А —ftt-Q^& Ж — Рв ж
Если тело плавает в жидкости,
то оно вытесняет объем жидкости,
равный объему погруженной в нее ча-
сти тела, а ее вес равен весу этого
тела в воздухе.
FT — сила тяжести тела;
Fa — архимедова сила, или выталки-
вающая сила;
рж — плотность жидкости (газа);
— объем вытесненной жидкости
(газа), равный объему
погруженной части тела;
Рвж — вес вытесненной жидкости.
Условие плавания тел:
a) FT > Fa — тело тонет;
) FT < Fa — тело всплывает до тех пор, пока не начнет плавать,
FT Fa — Тело плавает в жидкости или газе
FT = mg где ft —плотность тела,
VT — объем тела,
так как
имеем ftgVT -/ЛкрГвж,
или
Ft ~ Fa
ftVT ~РжУьх(.
/Эг ж
Vt
Если тело плавает в жидкости, то часть его объема,
погруженная в жидкость, равна отношению плотности
тела к плотности жидкости.
На этом основано применение ареометра — прибора для из-
мерения плотности жидкости без предварительного взвещивашяя.
Глубина погружения ареометра тем больше, чем
меньше плотность жидкости, в которую он
погружен
На использовании действия архимедовой силы в
газах основано воздухоплавание — полеты
дирижаблей, аэростатов.
-Блок 5
43. ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
1. Ламинарное и турбулентное течение
Течение жидкости (газа) называют стационарным.
ли в каждой точке пространства, занимаемого жидко-
стью, ее скорость с течением времени не изменяется, а
при изменении скорости течение называется нестаци-
онарным.
При небольших скоростях тече-
ние жидкости (газа), при котором
ее соприкасающиеся слои движут-
ся относительно друг друга без
перемешивания, называется ла-.
минарным.
При увеличении скорости слои
жидкости (газа) начинают бес-
порядочно перемешиваться, возни-
кают завихрения, такое течение
называется турбрлентшог.
Ламинарное течение может быть стационарным и нестацио-
нарным, а турбулентное всегда нестационарно
2 Скорость движения жидкости в трубе.
Si >Sz; v\ <vz
Если через сечение Si в трубу вхо-
дит объем жидкости V\ , то через
сечение S2 выходит такой же объ-
ем жидкости У2
Через различные сечения трубы проходят одинаковые объемы
жидкости Это означает, что скорость течения жидкости зави-
сит от сечения трубы.
Н — V2 — S2v2t — объемы жидкостей, протекающие за
одно и то же время через сечения Si и S2,
Из равенства
У1 = У2 следует
Si^i — S2v2
уравнение неразрывности.
' При стационарном течении жидко-
сти скорости движения ее частиц
V2 St через разные поперечные сечения
-------- трубы обратно пропорциональны пло-
щадям этих сечений.
(SO
Блок 5
44. ДАВЛЕНИЕ ВНУТРИ ДВИЖУЩИХСЯ
ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
1 Закон Бернулли.
При стационарном течении жид-
кости (газа) в тех местах, где
скорость течения меньше, давле-
ние в жидкости больше и, нао-
борот, там где течение больше,
давление в жидкости меньше
>52
VI <V2
pi +pghi =Р2 +pgh% | —
уравнение Бернулли.
2. Эффект Магнура.
Vl >V2
Рг >Р1
тело
поднимается
вверх.
3. Подъемная сила крыла самолета.
В системе ’’крыло — набегающий
поток” возникает такое движе-
ние воздуха, которое приводит к
тому, что давление над крылом
меньше, чем под ним. Перепад дав-
лений обеспечивает силу F, дей-
ствующую на крыло.
Fn — подъемная сила крыла са-
молета,
Fc — сила сопротивления,
которая уравновешивается
силой тяги двигателя
4, Пульверизатор
5 Газовая горелка.
Влок 5
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРО - И АЭРОМЕХАНИКИ”
Модуль 36. ДАВЛЕНИЕ. ЕДИНИЦЫ ДАВЛЕНИЯ
1Что называют давлением? Какая формула выражает смысл этого
понятия?
2. Какова единица давления в системе СИ? Сформулируйте
определение этой единицы измерения.
3. Назовите внесистемные единицы давления, используемые на
практике Каковы соотношения этих единиц измерения давле-
ния с единицей давления в СИ?
4. Как объяснить давление газа на основе учения о движении моле*
кулы?
Модуль 37. АТМОСФЕРНОЕ ДАВЛЕ^Е. ОПЫТ
ТОРРИЧЕЛЛИ
ЕЧто называют атмосферным давлением?
2. Сделав пояснительный рисунок, объясните, о чем свидетельствует
опыт Торричелли?
З.Что называют физической (и нормальной) атмосферой?
4. От чего зависит атмосферное давление?
б. Какие приборы называют барометрами? Сделав рисунок, объяс-
ните устройство ртутного барометра и барометра-анероида. В
чем состоят недостатки и преимущества этих приборов?
Модуль 33. ГИДРОСТАТИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ
L Что называют гидростатическим давлением и какова его природа’*
2 Напишите формулу гидростатического давления.
3 . От каких величин зависит давление жидкости на дно сосуда?
4 Какие величины нужно знать, чтобы рассчитать давление жид-
кости на стенки сосуда?
5 В чем заключается "гидростатический парадокс”?
€ Верно ли утверждение* сила давления на дно может быть больше
веса жидкости и меньше его.
Модуль 39. ЗАКОН ПАСКАЛЯ ДЛЯ ЖИДКОСТЕЙ
И ГАЗОВ
I Сделав пояснительный рисунок, опишите опыт, устанавливаю-
щий закон Паскаля. Как читается закон Паскаля?
2 Почему во многих случаях не принимают во внимание давление в
газе, созданное весом этого газа?
3. Приведите примеры применения закона Паскаля.
62
Блок 5
Модуль 40. ЗАКОН СООБЩАЮЩИХСЯ СОСУДОВ
1 Что такое сообщающиеся сосуды?
2. Какие примеры сообщающихся сосудов вы можете привести?
3 Как располагаются свободные поверхности однородной жидкости
в сообщающихся сосудах?
4. Как располагаются свободные поверхности разнородных жидко-
стей в сообщающихся сосудах?
5. Установите зависимости высот столбов жидкостей в сообщающих-
ся сосудах от плотности этих жидкостей.
Модуль 41. ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ПРЕСС
1. Какой закон используется в устройстве гидравлических м^шин?
2. Сделав пояснительный рисунок, объясните принцип действия
гидравлического пресса.
3 Напишите формулу зависимости между силами, приложенными к
поршням гидравлического пресса, к площадям этих поршней.
4. Какой выигрыш в силе дает гидравлический пресс при отсутствии
трения?
5. Можно ли создать машину, подобную гидравлической, используя
вместо жидкости воздух? Ответ обоснуйте.
Модуль 42. ЗАКОН АРХИМЕДА
1. Как формулируется закон Архимеда7
2. Напишите и объясните формулу, определяющую значение архиме-
довой силы.
8 Какова причина возникновения архимедовой силы?
4. Как можно на опыте определить, с какой силой тело, гшгруженное
целиком в жидкость, выталкивается из нее?
5. Выполняется ли закон Архимеда в условиях невесомости?
6. Когда тело, находящееся в жидкости, всплывает, плавает, тонет?
Объясните, в чем состоит условие плавания тел.
7. Как называется прибор для измерения плотности жидкости без
предварительного взвешивания? На чем основано применение этого
прибора?
8. На чем основано плавание судов?
9 Что называется осадкой судна?
10. Что такое ватерлиния7
11. Что называют водоизмещением судна?
12 Что называют подъемной силой газа7
13. Сделав пояснительный рисунок, попытайтесь доказать справедли-
вость закона Архимеда для газов
Клок 5
Модуль 43. ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
1 Какое движение жидкости называют стационарным, а какое
нестационарным?
2. Что такое ламинарное течение жидкости или газа?
3. Какое течение жидкости или газа называют турбулентным?
4. Получите формулу зависимости скорости течения жидкости от
площади поперечного сечения трубы.
&
Модуль 44. ДАВЛЕНИЕ ВНУТРИ ДВИЖУЩИХСЯ
ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ
L В чем состоит суть закона Бернулли?
2 . Как записывается уравнение Бернулли?
3 Объясните, в чем заключается эффект Магнуса?
4 . Сделав пояснительный рисунок, объясните возникновение подъ-
емной силы крыла самолета.
5 Объясните принцип работы простейшего пульверизатора.
4
ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ раздела "МЕХАНИКА”
ОСНОВЫ КИНЕМАТИКИ
1. Прямолинейное равномерное движение
По модулю 8 — перемещение при равномерном
8 w — — • движении м
г X v — скорость при равномерном м
s = vl — движении
уравнение с
равномерного t— время движения с
движения.
2. Прямолинейное неравномерное движение. Ускорение
vQ — начальная скорость тела, т е его
мгновенная скорость в момент м
отсчета времени —
с
По модулю v ~ мгновенная скорость тела в м
рассматриваемый момент времени —
а =—
t t — промежуток времени, в течение
которого произошло изменение
скорости с
м
а — ускорение тела ~
с2
3. Модуль скорости при равноускоренном движении
v = v0 4- at, если v0 ~ 0, то v — at
4. Модуль перемещения при равноускоренно^гдвижении
at? at2
s ~vot + еелм Vo = О, то s = ~~~.
уравнение
равноускоренного
движе1гия
5. Связь модуля перемещения тела с его скоростью
V2, “ v2 V2
S =-------, если vQ — 0, то s = —,
2а 2а
v = Vvo 4-2as, если v0 =0, то v = V2.cs .
6. Относительность движения. Сложение скоростей
гГ— скорость тела относительно
v=vru подвижной системы отсчета —
I с
65
и — скорость подвижной системы отсчета
относительно неподвижной системы —
» с
v — скорость движения тела относительно м
неподвижной системы отсчета с
7. Криволинейное движение. Линейная и угловая
скорость вращения по модулю
м
1 v — линейная скорость —
V —~= ШР. с
С 1 — длина дуги м
ф V t — время вращения с
1 (£>— угол поворота град
Ч>=~ рад
R СО—- угловая скорость с
R — радиус вращения м
8. Частота и период обращения
п 1д
v~7 V— частота вращения с
Т — период вращения с
Т 27Г
t т =- п — число оборотов
п 1 977 । t — время вращения с
Т = — = 1 1 V (1) Л ~ 3,14 рад
9. Модуль цена фостремительного ускорения
Оч —VO)
v2 аи— центростремительное (нормальное)
м
К ач =(i?R ускорение 7
ОСНОВЫ ДИНАМИКИ
10. Второй закон Ньютона
F —.сила, действующая на тело н
F^-пш m — масса тела кг
а — ускорение, сообщаемое телу м 9
с‘
66
11. Третий закон Ньютона
I —> —>
Fi; F2 — силы, действующие на тела
при взаимодействии Н
12. Закон Гука
Fупр кх FVnp — сила упругости Н , н к — жесткость тела ~ х — величина деформации (удлинение) м
13. Закон всемирного тяготения
М • т F=G F — сила притяжения тел Н
_п Н *мг G =6,67-10 11 кгг — постоянная всемирного тяготения
1 М; т — массы тел кг
г — расстояние между телами м
14. Сила тяжести, вес тела
F — тд
тд
F*— сила тяжести Н
Р — вес тела Н
m — масса тела кг
м
д = 9,8~т — ускорение свободного
сг
падения
15. Сила трения
FTp.
F тР — сила трения Н
// — коэффициент трения
N — сила давления И
ЭЛЕМЕНТЫ СТАТИКИ
16. Момент силы
М — F >d
F — модуль силы
d — плечо силы
М — момент силы
И
м
Н‘М
67
ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В МЕХАНИКЕ
17. Механическая работа
F — модуль силы, действующей на тело и
А = F • 8 • COS (X А =Ег-~Е1 = &Е з — модуль перемещения (X — угол между направлением м
силы и перемещения ТРад
А — работа постоянной силы Дж
ДЕ— изменение энергии Дж
18. Мощность
А 1 N — мощность Вт
F — модуль силы сопротивления Н
t м
N — Fv v — модуль скорости движения тела с*
19. Кинетическая и потенциальная энергия
Ек — кинетическая энергия Цж
т — масса тела кг м
_ ш2 Ек ~ v — скорость тела с
2 ЕР — потенциальная энергия Дж
Ер = mgh д — ускорение свободного падения h —разность высот м 7 м
20. Потенциальная энергия упруго
деформированного тела
Ер — потенциальная энергия
Лх2 упруго деформированного тела к — жесткость тела х — величина деформации
«К |ИЙ
21. Ч *шульс т^ла
р — импульс тела (количество
движения) кг ‘ м
р ~т/и с
т ~ масса тела кг
м
v — скорость тела o’
68
22. Закон сохранения импульса
—> —>
miVl И m2V2 — импульсы тел
КГ • k
Ш1Г1 + TI12V2 “ до взаимодействия с
<=77111)1 +Ж2^2 miVl И ГП2У2 — импульсы тел
кг ' • м
после взаимодействия с
23. Закон сохранения энергии в механике
Kpi + Eki — Ек — кинетическая энергия Дж
~Е%2 4“ Ер2 Ер — потенциальная энергия Дж
24. Коэффициент полезного действия (КПД)
»?-кпд
А» Ап — полезная работа Дж
А3 — затраченная работа
Лз (полная работа) Дж
ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРО - И АЭРОМЕХАНИКИ
25. Гидростатическое давление
КГ
р — плотность жидкости
Р д — ускорение свободного падения м
h — высота столба жидкости м
р — давление жидкости на глубине h Па
26. Закон сообщающихся сосудов
m _рг 1 h]Jl2 — высоты столбов жидкости
1 в состоянии покоя м
hz f> \ Р1,Р2 — плотности жидкостей 1 кг 7
27. Гидравлический пресс
Fz _Sz F1 Гг — силы, действующие на поршни н
Fi Si Si,S2 — площади этих поршней м2
28. Закон Архимеда
КГ р ж— ПЛОТНОСТЬ жидкости — м3
А Р a Q 1гвж . м д — ускорение свободного падения с2 Увж ~ объем жидкости, равный объему погруженной части тела м3
29. Уравнение неразрывности течения жидкости
VI = $2 V2 S1 vi; V2 — скорости стационарного течения жидкости через м различные сечения труб ~ Si ; $2 — соответственно сечения труб м4
30. Закон Бернулли
Pi + pghi = pi — v i атическое давление в сечении 1 Па Р2 ~ статическое давление в сечении 2 Па
=Рг +pgh2 +^vj vi — скорость потока в сечении 1 ~ м V2 — скорость потка в сечении 2. —
или с
P + pgh +^v2 ~ 4* — p0 = const hi — высота столба жидкости в сечении 1 м hz — высота столба жидкости в сечении 2 м кг р — плотность жидкости — м3 р0 — полное давление (гидростатическое давление в покоящейся жидкости) Па
РАЗДЕЛ 2
МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА
Раздел физики, изучающий строение и свойства веществ на
основе их молекулярного строения, называется молекулярной
физикой.
Молекулярная физика исходит из того, что любое тело —
твердое, жидкое или газообразное — состоит из громадного
числа молекул, которые находятся в беспорядочном движении,
интенсивность которого зависит от температуры.
При изучении молекулярной физики вы познакомитесь со
строением, структурой и свойствами некоторых материалов, с
особенностями агрегатных изменений, рассмотрите зависимо-
сти количественных характеристик от физико-механических
свойств веществ и их строения.
Молекулярная физика служит научной основой современного
материаловедения, вакуумной технологии, порошковой метал-
лургии, холодильной техники.
СОДЕРЖАНИЕ 2-го РАЗДЕЛА
Блок 6. Основы молекулярно-кинетической теории . , , 71
Блок 7. Свойства паров, жидкостей и твердых тел , , , , 85
Блок 8. Основы термодинамики....................98
Основные формулы раздела
"Молекулярная физика” , .
105
Блок 6
71
ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИ]
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) объясняет
строение и свойства тел на основе закономерностей движения и
взаимодействия молекул, из которых состоят тела.
В данном блоке рассматриваются основные положения моле-
кулярно-кинетической теории строения вещества, т.е. речь
пойдет о веществах (твердых, жидких, газообразных), состоя-
щих из молекул, которые находятся в состоянии непрерывного
хаотического движения и между которыми существуют силы
притяжения или отталкивания.
В этом же блоке приведены законы идеального газа,
опирающиеся на МКТ.
Содержание 6-го блока
45. Основные положения МКТ.....................72
46. Количество йещества .......................73
47. Броуновское движение . ♦ . • ..............74
48. Силы взаимодействия молекул.................—
49. Газы, жидкости, твердые тела................—
50. Идеальный газ в МКТ........................75
51. Основное уравнение МКТ......................—
52. Тепловое равновесие. Температура...........76
53. Газы в состоянии теплового равновесия ...... 77
54. Скорости молекул газа......................78
55. Уравнение состояния идеального газа........79
56. Газовые законы . . . . ,...................80
Вопросы для самоконтроля по блоку
’’Основы молекулярно-кинетической теории". . . .81
72
Блок О
45. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ МКТ
"Материя есть философская категория для обозначения объек-
тивной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, ко-
торая копируется, фотографируется, отображается нашими
ощущениями, существуя независимо от них"
ВИЛенин
Порядок величин диаметра и массы молекул:
d = 1 -10’8см = 1 -10’10м ; то = 1*10'23г = 1 -10’26кг.
Bl см3 воды содержится 3,7 ’1022 молекул (106 — за109лет).
Блок6
73
46. КОЛИЧЕСТВО ВЕЩЕСТВА
— относительная молекулярная
(атомарная) масса вещества (из
таблицы Менделеева).
MrN =14; MrN2 = 28
7 N
Азот
14,00
2. Один моль - это количество вещества, в котором со-
держится столько же молекул и атомов, сколько ато-
мов содержится в 0,012 кг углерода.
1моль — (Ь,012 кг С) —
количество вещества
Na - 6,02 • 1023 моль"1
число Авогадро
NO2 “ NN2
VO2 — KV2
3.
4.
5.
6.
м =т^А
— молярная масса вещества (это масса 1 моля
вещества)
М02 > так как то ( 0г) > /По ( N2).
n т\ — количество вещества или количество МО-
X = — = — лей вещества
Na М
т
N =VNa 'Na
М
— число молекул в данной массе
вещества
т=т0 *N =vNa ,то=ум]
масса вещества
М — Мг -10
3 кг
моль
~ определение молярной
массы
Примеры. Мен4 = [12 +(1 *4)] *10 3-=16 *10 3-;
4 7 моль моль
Мн2О = [ (1 ’ 2) +16} * Ю“3-^— = 18 * 10’3
4 7 моль моль
кг
=74
Блок 6
47. БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
Броуновским движением называют непрерывное хаоти-
ческое движение частиц, помещенных в жидкость или газ*,
находящихся во взвешенном состоянии.
Причина броуновского движения частицы в том,
что удары молекул о нее не компенсируют друг
друга.
(Частицы краски в воде, пылинки в луче света )
48. СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЛЕКУЛ
r = 2 г~* <*) =>F
г
г — расстояние между центрами частиц;
d — сумма радиусов взаимодействующих частиц.
г >d =>Fnp >FOt)
Г <d Fnp < Fom
49. ГАЗЫ, ЖИДКОСТИ, ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
Критерии сравнения Вещества
газообразные жидкие твердые
Характер упаковки частиц частицы распреде- лены по всему пре- доставленному им объему несколько более рыхлая упаковка, чем в кристаллах частицы плотно упакованы (крисч таллияеская ре- шетка)
Среднее расстояние между молекулами велико (^3,3 нм) мало ( ~0,2 НМ ; 0,3 нм ) очень мало 0,1 нм)
Силы сцепления очень малы несколько меньше, чем в твердом теле велики
Основные свойства вещества а)полностью запол- няют любые предо- ставленные им объемы; б)легко меняют свои объемы и форму; в)легко переме- шиваются между собой в любых пропорциях а)заполняют лишь нижнюю часть пре- доставленного им объема, б)текучи, т е. не сохраняют свой объем, в)не все жидкости смешиваются в лю- бых пропорциях между собой а)характерны строгие формы и жесткость; б)не меняют объ- ем, но вследствие деформации могут изменить форму; в)самопроизволь- но не перемеши- ваются
Блок 6
75
50. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ В МКТ
Идеализация - метод научного познания, проклаа
зает путь к решению трудных задач.
Идеальный газ — Расстояние между молекулами > d у И
простейшая фи- 2. Молекулы — упругие шары. д е
зическая модель 3 Силы притяжения стремятся к 0. а л
реального газа ь
4. Отталкивание — только при ударах. н
5^ Движение — по законам Ньютона, j ы й
г
а
з
Идеальный газ — это газ, взаимодействие между молеку-
лами которого пренебрежимо мало ^Ек »Д).
51. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ МКТ
тг ** Давление газа возникает в результате
г р сшолкяовений молекул со стенками сосуда, в
h/7/777 котором находится газ.
Запись и объяснение формулы основного уравнения МКТ.
1 -2
р = -^rrnnv1
____о_____
N
— число молекул в единице сюъема или концентрация
_ молекул газа;
v ~ средняя квадратичная скорость движения газовых молекул.
Давление идеального газа пропорционально произведе-
нию массы молекулы, концентрации молекул и среднему
квадрату скорости движения молекул.
2. Так как F =
1.
, где Шо — масса одной молекулы газа;
moV2
2
средняя кинетическая энергия посту-
пательного движения молекул>
2 mQvt
то р = -
3
2—
п — ~Еп;
2 3
л m N ш
3. Так как ШоП = т<>— = —~р,
где р — плотность газа.
о
то имеем р = -£
[р] “Па
Манометры
Металлический
Электрический
Жидкостный
76
Блок 6
52. ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ. ТЕМПЕРАТУРА
р —ДАВЛЕНИЕ,
У—ОБЪЕМ,
i- ТЕМПЕРАТУРА.
Макроскопические или термодина-
мические параметры, характе-
ризующие состояние вещества без
учета его молекулярного строения.
Два тела —- А и В, каждое из которых на
ходится в тепловом равновесии с телом С,
находятся в тепловом равновесии друг с
другом Тело С может служить прибором, из-
меряющим степень нагретости тела А и В.
Тепловым равновесием называют такое состояние, при ко-
тором все термодинамические параметры р, V; t сколь угодно
долго остаются неизменными.
ТЕРМОМЕТРЫ
а)
Жидкостный (тепло-
вое расширение)
Газово-манометрический (из-
менение давления газа)
Термосопротивление (зави-
симость силы тока от
сопротивления проводника)
Металлические (тепловое
расширение двух различных ме-
таллических пластин)
Блок 6
77
53. ГАЗЫ В СОСТОЯНИИ ТЕПЛОВОГО РАВНОВЕСИЯ
Hj Mg j
р=|пДх£);
При тепловом равновесии, когда
давление газа данной массы и его объ-
ем фиксированы, — средняя кинети-
ческая энергия молекул всех газов
одинакова (как и температура).
£К = 2.^г.
3 NЕ ’ N ЗГ
Pl Vi P2V2 P3V3 _О1 л
=—— =—— =3,76 • 10 21ДжприО С
Ni N2 №
Р1К1 _ P2V2 _ рзУз
~nT~~ ~
^=е
N
= 5,14 Ю’21 Дж при 100°С
Л2 АЗ
2
зависит только от Т => 0 = —Е*
о
0~ Т ^>Q = kT
Л@ = к -АГ; 5,14 • 10’21Дж -3,76 • 10'21Дж = fc(100°-0°)
L =1,38 -Ю’23^
1 К)
— постоянная Больцмана
Мо
(l(t)
к(т)
-гЗР*
абсолютный нуль температуры
с = -273°с или т=ок i°c=la:
о'-*
[7 =^ +273 |(К) [t =Т - 273 [(C)
} Нормальные условия газа
Ро =101825На
t0 =0°С или
Т =2731С
I О М8
IK™ =22,4 • 10'v----
тюль
объем одного моля
р —пкТ
основное уравнение
ШСТ
Температура — мера
средней кинетической
энергии молекул.
V
2_
-Е = кТ =>
3
3
F = -кТ
л
78
Блок 6
54. СКОРОСТИ МОЛЕКУЛ ГАЗА
Задача:
Найти среднюю квадратичную скорость молекулы водорода при
температуре 27°С.
t=27°C
v ~ ?
Мн2 =2 •
МОЛЬ
fc=l,38 -10’23fe
К
Na =6,02 • IO23--
МОЛЬ
квадратичная
скорость молекул газа,
М
так как т0 — — масса одной молекулы, то
Т =t +273 = 27°С +273 =300#
3 • 1,38 • 10 -233“ • 6,02 • 1023--— • 300К
К моль «м
Средняя кинетическая энергия хаотиче-
ского поступательного движения молекул
определяется
_ 3
Е =-кТ;
Сл
тог2
mov2 3
-^г=-гкт
— _ -X Зкт
m<>v2 — ЗкТ => v =U------
— средняя
моль
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СКОРОСТИ МОЛЕКУЛ
ОПЫТ ШТЕРНА (1920)
Блок 6
79
55. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО ГАЗА
Уравнение, связывающее р; V, Т, характеризующее состояние
данной системы газа, называется уравнением идеального газа.
р = пкТ, где п
т,
pV = —«NaT, так как
М
p=-fcT, где N=—na;
R =kNA = 8,31 -А*
моль • К
т
pV—-RT
м
универсальная газовая постоянная.
— уравнение КЛАПЕЙРОНА— МЕНДЕЛЕЕВА
(для произвольной массы газа)
pV~RT
(для одного моля)
1 P1V1
Ti mr'
P2V2 _ т
Тг ~MR’
2
при т = const.
P1V1 Р2У2 pv
-=> — —const, при т—const
Ti----------Т2 т F
уравнение КЛАПЕЙРОНА
Для данной массы газа произведение его давления на объем,
деленное на абсолютную температуру, — величина пбстойн-
ная.
Ро = 101325Па,
То = 273К,
Ком =22,4’10“3
Уравнение Клапейрона для одного мо-
ля при нормальных условиях газа!
=е =W1 Jit-
То моль-К
80
Блок 0
56. ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ
1. ЗАКОН БОЙЛЯ - МАРИОТТА (1662)
Процесс изменения состояния термодинамической системы при
постоянной температуре называется изотермическим.
1.
Р/2.
пг
P^=-RT
m
PzV2 ~~MRT
Т = const
m = const
pV — const
P1V1 =Р2^2
Р
Для данной массы газа произведение давления га-
за на его объем постоянно, если температура газа
не меняется.
2. ЗАКОН ШАРЛЯ (1787)
Процесс изменения состояния термодинамической системы при
постоянном объеме называют изохорным.
2.
тп
P2V=--RT2
иъохоры
2
О V/ <
V = const
Т1 ~Т2
1
РгУ*
m — const
р
— = const
т
m
Р
Для газа данной массы отношение давления к
температуре постоянно, если объем газа не меня-
ется.
3 ЗАКОН ГЕЙ - ЛЮССАКА (1802)
Процесс изменения состояния термодинамической системы при
постоянном давлении называют изобарным.
I
2
1.
nt
pVi = 77BT1
M
V/;T2
2.
m
pV2^-RTz
р = const
ГП. = Г2
jjri Тг
m = const
v
— = const
Для данной массы газа отношение объема к тем-
пературе постоянно, если давление газа не меняет*
ся.
д
Блок 6
81
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ "ОСНОВЫ
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ” (МКТ)
Модуль 45. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ ТЕОРИИ
1В чем заключается основная задача молекулярной физики/
2. Что такое молекулярно-кинетическая теория?
3. Сформулируйте основные положения молекулярно-кинетиче-
ской теории.
4. Какие наблюдения и эксперименты подтверждают основные по-
ложения молекулярно-кинетической теории?
5. Что такое молекула7 атом?
6. Атомы и молекулы тела хаотически движутся Как это согласуй
ется с тем, что многие тела сохраняют форму и объем?
7. Какова порядковая величина диаметра и массы молекул?
Модуль 46. КОЛИЧЕСТВО ВЕЩЕСТВА
1. Что называют относительной молекулярной массой? Какая
формула выражает это понятие?
L Чему равна относительная молекулярная масса воды?
З.Что называют количеством вещества? Какая формула выражает
смысл этого понятия7 Какова единица количества вещества?
Дайте определение этой единицы.
4. Что называют постоянной Авогадро? Чему она равна?
5. Что такое молярная масса вещества? Какая формула выражаем
смысл этого понятия? Какова единица молярной массы?
6. Установите связь между молярной массой и относительной моле-
кулярной массой вещества.
7. По какой формуле определяется число молекул в произвольной
массе вещества?
8. Определите молярную массу любого вещества Чему равна мо-
лярная масса углекислого газа?
Модуль 47. БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
1. Что называют броуновским движением?
2. 0 чем свидетельствует броуновское движение7
3. Что называют диффузией? Приведите примеры диффузии в га-
зах, жидкостях и твердых телах
4. Одинаково ли быстро окрашивается холодная и горячая вода?
5. Как объяснить процесс окрашивания твердых тел красителями?
6. Чем соединение деталей путем паяния сходно со склеиванием?
7. Является ли беспорядочное движение пылинок в воздухе
броуновским движением?
82
Блок &
Модуль 48. СИЛЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЛЕКУЛ
1. Какова природа межмолекулярных сил7
2. Какими свойствами обладают силы молекулярного взаимодейст-
вия?
З. Что называют сферой молекулярного действия? Каков радиус этой
сферы?
4. Как силы взаимодействия между молекулами зависят от
расстояния между ними?
5. Как объясняется с молекулярной точки зрения появление силы
упругости при сжатии и растяжении тел?
6. Чем определяется вязкость жидкости?
7. Вода обладает малой вязкостью и xqpoino смачивает детали машин.
Почему же ее не используют в качестве смазочного материала7
Модуль 49. ГАЗЫ, ЖИДКОСТИ, ТВЕРДЫЕ ТЕЛА
1 Перечислите агрегатные состояния вещества. Попытайтесь напи-
сать соотношение между кинетической и потенциальной
энергиями для газообразного, жидкого и твердого состояния веще-
ства.
2 Опишите характер движения молекул в газах, жидкостях и
твердых телах.
3. Каков характер упаковки частиц у газов, жидкостей и твердых
тел7
4. Каково среднее расстояние между молекулами у газов, жидкостей
и твердых тел?
5. Перечислите основные свойства газов, жидкостей, твердых тел.
Модуль 50. ИДЕАЛЬНЫЙ ГАЗ В МКТ
1. Что называют идеальным газом в молекулярно-кинетической
теории?
2. Назовите условия, при которых газ можно считать идеальным.
Модуль 51. ОСНОВНОЕ УРАВНЕНИЕ МКТ
1 . Каков механизм возникновения давления газа с точки зрения моле-
кулярно-кинетической теории?
2 . Какую скорость движения молекул называют средней квад-
ратичной?
З .Что называют концентрацией молекул? Какая формула выражает
смысл этого понятия?
4 Запишите и объясните физический смысл основного уравнения
молекулярно-кинетической теории.
5 Получите формулу, связывающую давление идеального газа и
среднюю кинетическую энергию движения молекулы.
6 Как записывается основное уравнение молекулярно-кинетиче-
Блок 6
83
ской теории через средний квадрат скорости молекул га-
за и его плотность7
7 . Какими приборами измеряется давление газа?
Модуль 52. ТЕПЛОВОЕ РАВНОВЕСИЕ. ТЕМПЕРАТУРА
1.Что такое термодинамическая система7
2. Какие параметры характеризуют состояние макроскопических
тел7
3. Каковы отличительные признаки состояния теплового равнове*
сия?
4. Приведите примеры теплового равновесия тел, окружающих вао
в повседневной жизни.
5. Какой физической величиной характеризуется состояние тепло-
вого равновесия?
6. Что такое температура и что она характеризует?
7. Какова зависимость объема жидкостей и газов от изменения
температуры?
8. Каковы устройство и действие жидкостного и газового термо-
метров?
Модуль 53. ГАЗЫ В СОСТОЯНИИ ТЕПЛОВОГО
РАВНОВЕСИЯ
1. Как связаны объем, давление и число молекул различных газов в
состоянии теплового равновесия7
2. Каков физический смысл постоянной Больцмана? Чему она
равна?
8. Что называют абсолютным нулем температуры7 Каков физиче-
ский смысл этого понятия с точки зрения молекулярно-кинети-
ческой теории7
4. Чему равно давление идеального газа на стенки сосуда при абсо-
лютном нуле температуры7
5. Объясните принцип построения температурных шкал Цельсия и
Кельвина. Установите формулы, выражающие соотношение
между значениями температуры, измеряемой по шкалам Цель-
сия и Кельвина.
6. Запишите формулу, которая показывает, как зависит от тем-
пературы средняя кинетическая энергия поступательного дви-
жения молекул
7. Запишите и объясните формулу, показывающую зависимость
давления газа от его температуры и концентрации молекул.
8. Напишите значение температуры и давления газа при нормаль-
ных условиях.
Модуль 54. СКОРОСТИ МОЛЕКУЛ ГАЗА
1. Выведите формулу средней квадратичной скорости движения
Блок 6
84
овсец
молекул газа.
2. Как изменится средняя квадратичная скорость движения молекул
газа при увеличении температуры в 2 раза?
3. Какие молекулы в атмосфере Земли движутся быстрее: молекулы
азота или молекулы кислорода?
,4. Начертите схему опыта Штерна и объясните его сущность. Запиши-
те формулу, по которой определяется средняя скорость движения
атомов вещества в опыте Штерна.
5 Почему в опыте Штерна полоска серебра:
4 а) смещена; б) размыта по краям; в) неоднородная по толщине?
Модуль 55. УРАВНЕНИЕ СОСТОЯНИЯ ИДЕАЛЬНОГО
ГАЗА
1 .Что называют уравнением состояния системы?
2 Выведите уравнение Менделеева — Клапейрона для произвольной
массы идеального газа.
3 Чему равна универсальная газовая постоянная в СИ7
4 . Как запишется уравнение состояния для одного моля?
5 Выведите уравнение состояния идеального газа Клапейрона Как
оно читается?
6 . Чему равен объем одного моля любого газа при нормальных услови-
ях?
7 . Каков физический смысл универсальной газовой постоянной?
Модуль 56. ГАЗОВЫЕ ЗАКОНЫ
1 Что такое параметры состояния? Какие величины относятся к ним?
2 Что называют изопроцессами?
3 Какой процесс называют изотермическим7 Каким законом описы-^
вается этот процесс? Как формулируют и записывают этот закон?
Начертите и объясните графики этого закона.
4 . Какой процесс называют изохорным? Каким законом описывают
изохорный процесс? Как формулируют и записывают этот закон?
Начертите и объясните график этого закона.
5 . Какой процесс называют изобарным? Каким законом описывают
изобарный процесс? Как формулируют и записывают этот закон?
Начертите и объясните график этого закона.
6 . Построите изотерму, изохору, изобару в координатах pV; VT, рТ.
Блок 1
85
СВОЙСТВА ПАРОВ, ЖИДКОСТЕЙ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ
При изучении темы ’’Свойства паров” формируются новые
понятия: насыщенный и ненасыщенный пар, динамическое
равновесие, кипение, влажность воздуха.
В теме "Свойства жидкостей” рассматриваются вопросы по-
верхностного натяжения жидкостей, явления смачивания и не-
смачивания, явления капиллярности, на базе которых
формируются понятия о молекулярных силах, радиусе их дей-
ствия.
В теме "Свойства твердых тел" внимание уделяется преиму-
щественно механическим свойствам твердых тел, механизму
деформации.
Содержание 7-го блока
57. Насыщенный пар и его свойства............86
58. Кипение жидкостей........................87
59. Критическая температура...................—
60. Влажность воздуха........................88
61. Поверхностное натяжение жидкостей........89
62. Смачивание. Капиллярные явления..........90
63. Кристаллические и аморфные тела..........91
64. Деформация. Виды деформаций твердых тел ... 92
65. Механические свойства твердых тел........93
Вопросы для самоконтроля по блоку
"Свойства паров, жидкостей
и твердых тел"............................94
86
Блок 7
57. НАСЫЩЕННЫЙ ПАР И ЕГО СВОЙСТВА
Процесс перехода вещества
из жидкого состояния в газо-
образное называется паро-
образованием.
Обратный процесс - пре-
вращения пара в жидкость-
называется конденсацией.
Пар
(нет равновесия;
насыщенный
Н!
(динамическо
равновесие)
Пар, находящийся в состоянии динамического равновесия со
своей жидкостью, называется насыщенным паром.
3. Свойства насыщенного пара:
а) состояние насыщенного пара нриилиж<
ло описывается
уравнением:
или ро = пкТ ;
б) при Т = const: рне зависит от V, так как п не зависит от V.
V
Закон Бойля-Мариотта не
выполняется (участок АВ);
в) при V = const р изменяется быстрее, чем Т, вследствие
увеличения концентрации молекул (плотности) пара.
Г Закон Шарля не выполняется
(участок ВС).
_____Т
о
4. Поведение насыщенного пара в закрытых сосудах
Учитывается при проек-
тировании, эксплуата-
ции автоклавов и котлов
высокого давления
Блок 7
87
58. КИПЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
Парообразование, происходящее одновременно с по-
верхности и по всему объему жидкости при определенной
постоянной температуре, называют кипением.
Кипение начинается тогда, когда давление
насыщенного пара внутри пузырьков стано-
вится равным или большим внешнего давле-
ния, производимого на пузырьки пара в
жидкости.
Давление внутри пузырька равно сумме
давлений насыщенного пара и воздуха:
Рпузырька, Рнас 4" Рвоздуха •
Составными частями внешнего давления являются атмос-
ферное давление, гидростатическое давление и давление, связан-
ное с силами поверхностного натяжения.
Р внеш,. — Ратм. 4"p9h 4" Р п н.
По условию кипения имеем:
Р нас 4" Рвоздуха — Ратм +рдп А'Рпк
Некоторые особенности жидкости при кипении:
а) температура кипения жидкости зависит от давления — с
повышением внешнего давления температура кипения повыша-
ется, а с понижением давления — понижается:
р =3,99 • 104Ла ~«кии = 70°С,
р =1,6 • 106П« = 200°С;
б) температура кипения зависит от наличия примесей в жид-
кости — температура кипения раствора всегда выше тем-
пературы чистого растворителя при том же давлении (если вода
содержит 40% поваренной соли, то 1ккп = 108°С);
в) при переходе жидкости в газообразное состояние кинетиче-*
ская энергия молекул не изменяется (температура пара равна
температуре кипящей жидкости при нормальном атмосферном
давлении).
59. КРИТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА
Температура Тк, при которой исчезает
различие между жидкостью и ее насы-
щенным паром, называется критичес-
кой.
У каждого вещества имеется своя критическая температура.
Например, для воды — 374°С, кислорода — И8°С,
водорода — 240°С.
88
Блок 7
60. ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА
Под влажностью воздуха понимается содержание водя-
ных паров в воздухе, (За 1 год на Земле испаряется
4,25 • 10мтЛ2О.)
1 Абсолютной влажностью воздуха называется количество водя-
ных паров, содержащихся в единице объема воздуха(Ш3), т е.
плотность паров воды, содержащихся в воздухе.
[р]=4
м
2. Относительной влажностью воздуха называется отношение аб-
солютной влажности к тому количеству водяного пара, которое
необходимо для насыщения 1м3 воздуха при данной температуре.
т
ю=^--юо% * Рн или Р <р= — -100% Ро
(В метеорологии влажность оценивается по давлению водяного
пара в мм. рт ст)
3. Температура, при которой ненасыщенный ранее воздух стано-
вится насыщенным, называется точкой росы (ср).
Днем температура воздуха 20° С, к вечеру при температуре 17° С
на почве появилась роса, так как при 17° С абсолютная влажность
воздуха стала равной плотности насыщенности пара
г
(р —рк — 14,5—-), а относительная влажность стала равна 100%.
см
4. Приборы для определения влажности и точки росы:
а) гигрометры волосяной Qp); конденсационный (tp ир\
б) психрометр ($ р).
5. Субъективное ощущение влажности воздуха человеком
сухость норма сырость
40% и < 60% -70% 80% и >
6. Использование и учет:
а) в метеорологии;
б) при хранении продуктов и материалов;
в) в хранении произведений искусств;
г) в проектировании строительных сооружений, машин, ме-
ханизмов, подвергающихся воздействию вдаги.
Блок 7
61. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
1
Молекулы поверхностного слоя взаимо-
действуют друг с другом с большей силой
и обладают дополнительной энергией по
сравнению с молекулами нижележащих
слоев.
Способность жидкости сокращать свою
поверхность называется поверхностным
натяжением.
Силой поверхностного нятяже-
ния называют силу, которая дей-
ствует вдоль поверхности
жидкости перпендикулярно к
линии, ограничивающей эту по-
верхность, и стремится
сократить ее до минимума
Коэффициент поверхностного натяже-
ния (о) численно равен силе (F), действу-
ющей на единицу длины (1) периметра
смачивания и направленной перпенди-
кулярно к этому периметру.
Вещество о( х ю”8—) м
Вода | 72,8
Керосин ' 29
Спирт 1 1 22,6
Ртуть | 513
а—зависит:
1) от рода жидкости,
2) от наличия примесей:
3) от температуры
(при Г | , то <7 0).
3. Силы поверхностного натяжения определяют форму и
свойства капель жидкости, мыльного пузыря. Эти силы
удерживают на поверхности воды стальную иглу и насе-
комое водомерку, удерживают влагу на поверхности тка-
ни.
90
Блок 7
62. СМАЧИВАНИЕ. КАПИЛЛЯРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ
Смачивание - явление, возникающее вследствие взаи-
модействия молекул жидкости с молекулами твердых
тел и приводящее к искривлению поверхности жидко-
сти на границе с твердым телом.
Несмачивание
Смачивание
Поверхность жидкости, искривленная на границе с твердым
телом, называется мениском ТО—краевой угол).
2. Под капиллярными явлениями понимают изменение
высоты уровня жидкости в узких трубках, пустотах-
капиллярах.
F^Ol^C&Jlr — сила поверхностного натяжения
жидкости в капилляре;
G = mg —pVg =pghjr/2‘ — сила тяжести столбика жидкости в
капилляре;
(плг-pghm2
— высота поднятия (снижения)
жидкости в капиллярах,
27Г
ррг
гдер— плотность жидкости, g — ускорение силы тяжести,
г — радиус капилляра.
3. .Учет и использование капиллярных систем — поднятие воды в
почве, система кровеносных сосудов в легких, корневая система
растений, фитильный способ подачи масла к деталям машин,
промокашка”, гигроскопичность тел
Блок 7
91
63. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И АМОРФНЫЕ ТЕЛА
Твердыми телами являются тела, сохраняющие свой объем
и форму (твердые тела находятся преимущественно в
кристаллическом состоянии).
1. Кристаллы - это твердые тела, атомы, молекулы, ионы
которых занимают определенные, упорядоченные поло-
жения в пространстве, называемые кристаллическими
решетками.
К кристаллическим телам относятся по-*
варенная соль, сахар, алмаз и т.д.
Одиночный кристалл называется Мо-
нокристаллом.
Твердые тела, состоящие из множества
кристаллов, называются поликристаллами.
Свойства кристаллических
1) правильная геометрическая форма и объем,
2) определенная температура плавления;
3) основным свойством монокристаллов является ани-
, зотропия — неодинаковость физических свойств (механиче-
ских, тепловых, световых, электрических) в различных
направлениях кристалла.
2. Аморфные тела — это тела, которые не имеют строгой по-
вторяемости во всех направлениях основных структурных ячеек
кристаллической решетки.
1 VК аморфным телам относятся стекло^
Т/* пластмассы, слюда, канифоль.и т.д.
Свойства аморфных тел
1) аморфные тела изотропны — физические свойства по всем
направлениям одинаковы.
2) при низких температурах имеют свойства твердых тел, а по
мере повышения температуры — свойства жидкостей.
3) аморфные тела не имеют определенной температуры плавле-
ния
3. Одно из основных направлений использования физики твердого
тела — создание материалов с заданными механическими, маг-
нитными, электрическими и другими свойствами (по-
лупроводники, сверхпроводники, полимеры).
92
Блок 7
04. ДЕФОРМАЦИЯ. ВИДЫ ДЕФОРМАЦИЙ ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Деформацией называется изменение формы или объема тела
под действием внешних сил.
Деформации могут быть упругими или пластичными.
L Растяжение.
Канаты,
тросы,
стяжки,
сцепления.
2. Сжатие.
При растяжении или сжа-
тии меняется начальная
длина и площадь по-
перечного сечения тела.
При кручении отдельные
слои тела остаются
параллельными, но смеща-
ются относительно друг
друга по винтовой линии.
Столбы,
колонны,
стены,
фундамен-
ты зданий.
Валы
машин,
сверла,
оси.
4. Сдвиг.
При деформации сдви-
га происходит смеще-
ние слоев тела
относительно друг
друга.
5. Изгиб.
тру 5а
си. 6еллер IMymaSp
Балки в
местах
опор,
заклепки,
ножницы,
зубила,
зубья пилы
Кран-
балки,
консоли,
несущие
конструк-
ции.
6. Виды деформаций, встречающиеся в производственных процессах:
штамповка
ковка
волочение
прокат
Блок 7
93
65. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ
Механическое напряжение — величина
равная отношению модуля F силь
упругости к площади поперечного сеченид
Зтела:
Си Н
(J
м2 ~ (Па )
м
F
S
2 Роберт Гук,
1676 Закон
установлен
опытным пу-
тем
Закон Гука, При малых деформациях
напряжение прямо пропорционально от-
носительному удлинению.
О~ Е => | о = д |е| | ,
где Е — модуль упругости или модуль Юнга характеризует
сопротивляемость материала упругой деформации
растяжения или сжатия.
Яапример: Е =2,1 • 10пПа(Ее), Е = 7 • Ю10Па(А!),
так как (7 = ~; € = —,
iS vQ
имеем
F Z3
s^E7t
— сила действия на ма-
териал или сила упругости
материала,
Es
где — —к— жесткость материала, то
('О
г=М&1
(Тпч
И = ~—
Udon
Оп — предел пропорциональнос-
ти — напряжение, при котором
еще выполняется закон Гука;
ОУп — предел упругости —
напряжение, которое не вызы-
вает заметные остаточные де-
формации,
Опч — предел прочности — мак-
симальное напряжение, ко-
торое выдерживает материал
перед его разрушением;
Одоп — допустимое (рабочее)
— запас прочности напряжение — напряжение,
оказываемое на материал в
процессе работы.
94
Блок 7
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"СВОЙСТВА ПАРОВ, ЖИДКОСТЕЙ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ’
Модуль 57. НАСЫЩЕННЫЙ ПАР И ЕГО СВОЙСТВА
1 Что называют парообразованием? конденсацией? испарением^
паром?
2. Назовите причины, от которых зависит скорость испарения жид-
кости
3. Как объяснить понижение температуры жидкости при ее ис-
парении7
4. Могут ли испаряться твердые тела7
5. Что такое сублимация или возгонка7 Приведите примеры вещее из,
способных возгоняться
6 Опишите процесс парообразования в закрытом сосуде Что такое
динамическое равновесие7
7 Какой пар называют насыщенным7
8. Почему давление насыщенного пара не зависит от объема, в котором
он находится7
9. Изобразите графически и объясните зависимость давления насы-
щенного пара от температуры при постоянном объеме.
10 Запишите формулу зависимости давления насыщенного пара от
температуры и объясните ее
Модуль 58. КИПЕНИЕ ЖИДКОСТЕЙ
1.Что называют кипением7
2. Сделав рисунок, объясните физический процесс кипе;l ib
3. Запишите и объясните условия кипения жидкости.
4. От чего зависит температура кипения жидкости?
о. Почему во время кипения температура жидкости не изменяете л ,
6. Объясните принцип действия скороварки.
Модуль 60. ВЛАЖНОСТЬ ВОЗДУХА
1 Что понимается под влажностью воздуха?
2 . Что называют абсолютной влажностью воздуха? Какая формула
выражает смысл этого понятия7 В каких единицах ее выражают?
3 Что такое упругость водяного пара7
4 Что называют относительной влажностью воздуха7 Какие
формулы выражают смысл этого понятия в физике и ме-
теорологии7 В каких единицах ее выражают?
5 Относительная влажность воздуха 70 %, что это значит?
Блок 7
95
6.Что называют точкой росы?
7. С помощью каких приборов определяют влажность воздуха?
8. Каковы субъективные ощущения влажности воздуха человеком?
9. Начертив рисунок, объясните устройство и принцип работы воло-
сяного и конденсационного гигрометров и психрометра.
Модуль 61. ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ
ЖИДКОСТЕЙ
1. Какими свойствами обладает поверхностный слой жидкости?
2. Что называют поверхностным натяжением?
3. Сделав рисунок, установите физический смысл пиьерхностного
натяжения как величины, связанной с энергией поверхностного
слоя жидкости.
4. Приведите примеры действия сил поверхностного натяжения.
5. Что называется коэффициентом поверхностного натяжения? От
чего он зависит? В каких единицах измеряется коэффициент
поверхностного натяжения в СИ?
6. Что называют силой поверхностного натяжения? Какая формула
выражает смысл этого понятия?
7. Как изменится сила поверхностного натяжения воды при
растворении в ней мыла?
8. Какую форму принимают капли жидкости в условиях невесомо-
сти? Почему?
Модуль 62. СМАЧИВАНИЕ. КАПИЛЛЯРНЫЕ
ЯВЛЕНИЯ
L Сделав пояснительный рисунок, раскройте физическую суть яв-
ления смачивания и несмачивания.
2. Почему жировые пятна на одежде не удается смыть водой?
З.Что называют мениском?
4 Что такое краевой угол7 Каково его значение при смачивании?
при несмачивании?
5. Что называют капиллярностью?
6. Обоснуйте, в каком случае жидкость в капилляре поднимается,
опускается.
7. Почему фундамент кирпичных домов покрывают горячим биту-
мом или обкладывают толем?
8. Выведите формулу, по которой определяют высоту подъема или
опускания жидкости в капилляре.
96
Блок 7
9. Приведите примеры учета и использования капиллярных систем в
нашей жизни.
Модуль 63. КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И АМОРФНЫЕ ТЕЛА
ЕЧем отличаются кристаллические тела от аморфных?
2. Перечислите основные свойства кристаллических тел
3. Перечислите основные свойства аморфных тел.
4. Что называют монокристаллом?
5. Какие тела называют поликристалличеСкими?
6. Что такое анизотропия? изотропность?
7. Приведите примеры монокристаллических, поликристаллических
и аморфных тел.
8. Почему во все время процесса плавления температура кристалли-
ческого тела не изменяется?
9. Почему у аморфных тел нет определенной температуры плавления?
Модуль 64. ДЕФОРМАЦИЯ. ВИДЫ ДЕФОРМАЦИЙ
ТВЕРДЫХ ТЕЛ
ЕЧто такое деформация?
2. Какую деформацию называют упругой? пластической?
3. Назовите виды деформаций.
4. Объясните, что происходит с телом при его растяжении и сжатии.
5. Что называют абсолютным удлинением тела? Какой формулой
выражается смысл этого понятия?
6. Что называют относительным удлинением? Какая формула
выражает смысл этого понятия?
7. В чем сходство и различие деформации сдвига и кручения?
8. Охарактеризуйте деформации изгиба. Почему в технике и в
строительстве вместо стержней и сплошных брусьев применяют
трубы, двутавровые балки, рельсы, швеллеры?
9. К какому виду деформации относится срез?
Модуль 65. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ
ТЕЛ
1. Что называют механическим напряжением? Какая формула
выражает смысл этого понятия? Какова единица механического
напряжения в СИ?
2. Каков физический смысл модуля упругости? Как следует понимать.
Блок 7
модуль упругости свальной проволоки 2 • 1011 Па, алюминия
7 -1010Па?
3. Запишите формулу закона Гука для одностороннего растяжения
или сжатия и как она формулируется?
4. Что такое жесткость? Какова единица жесткости в СИ?
5. Начертите и объясните диаграмму растяжений для металла. Что
называют пределом пропорциональности?упругости? текучести?
прочности?
6. Что называют пластичностью? хрупкостью?
98
Блок 8
4ЭСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
Термодинамика - наука о температуре, теплоте и о
превращениях теплоты и работы друг в друга.
Термодинамика рассматривает общие свойства физических си-
стем в состоянии термодинамического равновесия. В ней изучает-
ся закон сохранения энергии и первый закон термодинамики, а
также доказывается невозможность создания вечного двигателя.
Термодинамика служит научной основой современных тепловых
двигателей, холодильных установок, аппаратов для получения
жидких газов. В настоящее время основные усилия направлены на
решение важнейшей технической задачи — повышение КПД теп-
ловых двигателей.
Содержание 8-го блока
66. Внутренняя энергия..........................99
67. Работа в термодинамике . ....................—
68. Количество теплоты.........................100
69. Первый закон термодинамики.................101
70. Тепловые двигатели.........................102
Вопросы для самоконтроля по блоку
’’Основы термодинамики”....................103
Блок 8
99
66. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
Внутренняя энергия макроскопического тела равна сумме
кинетических энергий хаотического движения всех моле-
кул относительно центра масс тела и потенциальны»
энергий взаимодействия всех молекул друт с другом
U-^N,
3 ™
и=Гм^
3
где Е" = ~кТ — средняя кинетическая
энергия одного атома;
так как kN a —R
3 m
(/=7
L % м
m
N =—RT — количество молекул в
М
данной массе вещества,
внутренняя энергия одноатомного
идеального газа.
m
Используя pV =—RT, имеем
М
з
67. РАБОТА В ТЕРМОДИНАМИКЕ
A' = р'Ах, где F' — pS
А' = pS&x, где S&x — Av = И2 — Vi
^7 = -л' = -рДй}
где А " работа внешних сил, А' — работа газа;
Vi, И2 — начальный и конечный объемы газа.
Используя рАи =—R&T, имеем А =—кАг!
м м
I При сжатии газа | 2 При расширении газа
V2<Vi, ДИ<0; А'<0, А >0 V2 >VV, ДИ >0; А'>0; А <0.
р~=рАи
Геометрическое истолкование работы
При р -
100
Блок 8
68. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ
Процесс передачи энергии от одного тела к другому без со-
вершения работы называют теплообменом или тепло-
передачей.
Энергию, переданную телу в результате теплообмена,
называют количеством теплоты.
L Количество теплоты, полученное или отданное телом.
Если tz > ti, то Q > 0 — нагревание;
tz <ti то Q <0—охлаждение,
О
m&t
н =
где с =
— удельная теплоемкость вещества
кг • К
С = ст — теплоемкость вещества [ С ] =
К
2.
Qn -rm — количество теплоты, необходимое для
--------превращения жидкости в пар;
QH = — rm — количество теплоты, выделяемое паром при ее
----------конденсации,
где г—~ —
т
удельная теплота парообразования [ г]
кг
3 ( Опл —Лт — количество теплоты, необходимое для
и--------------плавления тела;
I Qkp — Лт
количество теплоты, выделяемое при
кристаллизации тела,
где Л = — — удельная теплота плавления [ Л ] =
т кг
4. Q ~ qm — количество теплоты, выделяемое при
сгорании топлива,
где q = — — теплотворная способность топлива [ q ] =
Количество теплоты, отдаваемое более нагретым телом,
равно количеству теплоты, получаемому более холодным
телом.
Q1 = ~ (?2 или Qi 4- Qz — О
— уравнение теплового баланса.
Блок 8
101
69. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
1. Закон сохранения и превращения энергии — во всех
процессах, происходящих в природе, энергия не исчезает и
не создается, а переходит от одного тела к другому и
превращается из одного вида в другой в эквивалентных ко-
личествах.
2. [ Ли =А первый закон термодинамики.
Изменение внутренней энергии системы Ди при переходе
из одного состояния в другое равно сумме работы внешних
сил А и количества теплоты Q, переданного системе.
Так как А =— А', то Q = Ли 4~Л' ; А и Q характеризуют Ли.
Количество теплоты, переданное системе Q, идет на измене-
ние ее внутренней энергии Ли и на совершение системой
работы А над внешними телами
Если Q = 0,то а' — — Л// => невозможность создания
вечного двигателя.
3. Применение первого закона термодинамики к различным
процессам.
Название про- цесса, постоян- ный параметр Неизменя- ющаяся ве- личина Запись первого за- кона тер- модина- мики Следствия, выте- кающие из первого закона термоди- намики
Изотермический, Т = const о о 1 II II 4 3 Q приО >0 =>А' >0; Q <0 =>А' <0
(Изохорный, \v = const ( ( Ди =0 а' =рДи=о Q = &U приф >0 =£&/>0; Q <о =>Ди <0
I Изобарный, [ р = const ( ; Др =0 q-Au+a’ при(3 >0 =>А' >0; Ди >0 Q <0 =>А <0; Др <о
Адиабатный Q =0 а' = -Ди при А* <0 >0; A >0 =5>А[/ <0
4. Адиабатное нагревание применяется в двигателях Дизеля; ох-
лаждение — в машинах для сжижения газов.
102
Блок 8
70. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
Тепловым двигателем называется машина, в которой
осуществляется преобразование теплоты сгорания топ-
лива в механическую энергию.
Потери энергии в двигателях двоякого рода: тепловые потери;
механические потери.
_Т1-Т2
*1™*----
(Невозможно осуществить условие Ti-*00, а Т% — 0. )
— КПД идеальной машины с идеальным
газом в качестве рабочего тела
(французский инженер СКарно, 1824).
2. Повышение КПД тепловых двигателей, приближение его к
Т/т&х — важнейшая техническая задача. Основные усилия ин-
женеров направлены на повышение КПД двигателей за счет
уменьшения трения их частей, потерь топлива вследствие его
неполного сгорания.
КПД современных паросиловых установок Г) ~ 40%.
КПД двигателей внутреннего сгорания Т] ~ 25 — 35%
3. Тепловые двигатели и охрана природы.
В настоящее время мощность, потребляемая человечеством,
составляет 1(ГокВт, когда эта мощность достигнет
3 • 1012кВт => катастрофа.
Топки —> сернистые
соединения
Двигатели
внутреннего
сгорания
оксиды азота
углеводороды
оксид углерода
СО и др.
Перспективными являются разработки электромобилей, дви-
гателей, работающих на смеси водорода и кислорода.
Блок 8
103
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ”
Модуль 66. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ
1. Какие тела называют макроскопическими1 2 3 4 * 6 7
2. Что такое внутренняя энергия7 механическая энергия7
3. Чем отличается внутренняя энергия идеального газа от
внутренней реального газа7
4 От каких физических величин зависит внутренняя энергия тела7
5. Приведите примеры превращения механической энергии во
внутреннюю и обратно в технике и быту.
6. Выведите формулу внутренней энергии одноатомного идеального
газа.
7. Как определить внутреннюю энергию одноатомного идеального
газа через давление и объем7 Напишите формулу.
8. Моль какого газа — водорода или гелия — при одинаковой тем-
пературе имеет большую внутреннюю энершю?
9. Объясните, как и почему изменяется твердость металлов при
уменьшении и увеличении их внутренней энергии?
Модуль 67. РАБОТА В ТЕРМОДИНАМИКЕ
1. Почему газ при сжатии нагревается7
2. Чему равна работа внешних сил, действующих на газ7
3. Чем отличается работа, совершаемая внешними телами над га-
зом, от работы газа над внешними телами?
4. Совершается ли работа в процессе изобарного сжатия или
расширения газа7
5 Объясните, как графически определяют работу изобарного
расширения газа?
6. Чему равна работа газа при изохорном процессе?
7. Объясните, как графически определяют работу изотермического
расширения газа.
Модуль 68. КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ
L Что называют теплопередачей или теплообменом?
2. Что называют количеством теплоты7
3. Напишите формулу для подсчета количества теплоты, необходи-
мого для нагревания тела или отдаваемого телом при его охлаж-
дении.
4. Что называют удельной теплоемкостью вещества? В каких еди-
ницах измеряется удельная теплоемкость вещества7
5.По какой формуле определяют количество теплоты, затраченное
на превращение в пар произвольной массы жидкости и выделя-
104
Блок 8
емое при конденсации пара в жидкость?
6. Что называют удельной теплотой парообразования? В каких еди-
ницах измеряют удельную теплоту парообразования?
7. По какой формуле определяют количество теплоты, затрачивае-
мой на плавление кристаллического тела произвольной массы или
выделяемой при отвердевании этого тела?
8. Что называют удельной теплотой плавления?
9. По какой формуле определяют количество теплоты, выделяемое
при сгорании произвольной массы определенного топлива?
10. Что называют удельной теплотой сгорания топлива?
11. Что называют уравнением теплового баланса? Как его записывают
и читают?
, Модуль 69. ПЕРВЫЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМИКИ
1. Как формулируют закон сохранения энергии?
2. В чем состоит эквивалентность количества теплоты, механической
работы, затраченной энергии?
З. Что называют первым законом термодинамики7 Как записывают и
формулируют этот закон?
4. Как записывается первый закон термодинамики для изо-
термического, изохорного, изобарного и адиабатного процессов?
5. Какой процесс называют адиабатным? При каких условиях он
осуществляется?
Модуль 70. ТЕПЛОВЫЕ ДВИГАТЕЛИ
х. Что называют тепловым двигателем7
2. Что называют нагревателем, холодильником? Какова их роль в
работе теплового двигателя?
З. Что называют рабочим телом? Какие вещества используются в ка-
честве рабочего тела двигателя?
4. По какой формуле определяют работу, совершаемую двигателем?
5. Что называется КПД теплового двигателя?
6. Запишите и объясните формулу КПД теплового двигателя.
7. По какой формуле определяется КПД идеальной тепловой машины
(КПД машины Карго]?
8. Каков КПД паросиловых установок и двигателей внутреннего
сгорания?
ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ раздаа "МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА.”
ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКОЙ
ТЕОРИИ
1. Количество вещества
V — число молей газа моль
V = Л^А М N — число частиц —
т —moN;m =VM т Na - 6,02 • 1023~-— - МОЛЬ число Авогадро
N^-Na m М — масса вещества — молярная масса кг кг моль
т0 — масса молекулы кг
2. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории
1 ~ р = -monv2- Р — давление газа Па —3
3 п — концентрация молекул м
11 0$ ЦО — средний квадрат м2
р =^и2 я 1 скорости молекул 7 кг
р =пкТ — плотность газа — средняя кинетическая энергия молекул 7 Дж
т 1 к — абсолютная температура поДж -1,38 • 10 23— - К постоянная Больцмана К
3. Средняя кинетическая энергия движения молекул.
температура 2 2 „ mov^ г "Е — средняя кинетическая энергия молекул Дж Дж к — постоянная Больцмана К Шо — масса молекулы кг
106
T-t +273
t = T ~ 273
T ~ абсолютная температура,
или температура в кельвинах К
t — температура в градусах Цельсия ° £
V2 — средний квадрат
м2
скорости молекул —
4. Средняя квадратичная скорость молекул
v — средняя квадратичная
_ З/с'Г м скорость молекул ~ Дж к' — постоянная Больцмана “77“
v = Шо - 3RT Т — абсолютная температура К т<> — масса молекулы кг
v — М кг М — молярнаямасса моль R * — 8,31—“—— —• универсальная моль • К
газовая постоянная
5. Уравнения состояния идеального газа
m pV=—RT М р — давление газа V — объем газа m — масса газа Па № кг
pV-VRT М — молярная масса кг моль
R — универсальная газовая
Ti тГ постоянная Дж моль • К
Т — абсолютная температура К
107
СВОЙСТВА ПАРОВ, ЖИДКОСТЕЙ И ТВЕРДЫХ ТЕЛ
6. Относительная влажность воздуха
<р— относительная влажность %
р — парциальное давление
<Z> = —-100% водяного пара Па
Ро Ра — давление насыщенного
водяного пара Ла
7. Поверхностное натяжение
f ° — коэффициент поверхностного н
‘=7 F натяжения жидкости — сила поверхностного натяжения м р
20 1 — длина периметра смачивания м
h=— h — высота подъема или опускания 1
Р&г жидкости в капилляре м
К1
Р — плотность жидкости
м
г — радиус капилляра
8. ЗаконТука
F — сила упругости материала и
н
, Е — модуль Юнга —
|&| К = ES-r- 5 — площадь поперечного сечения м
to материала м2
10 “ начальная длина м
AZ— абсолютная деформация м
Н
к — коэффициент жесткости м
108
9. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа
3 т V = 2MRT U — внутренняя энергия газа т — масса газа Дж КГ кг
3 М — молярная масса
моль
U=~pV
2 R — универсальная газовая постоянная Дж моль • К
Т — абсолютная температура К
р — давление газа Па
V — объем газа м3
ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ
10. Работа в термодинамике
А -рДУ 4=—йДТ м А—работа, произведенная над системой р — давление газа V — объем газа т — масса газа М — молярная масса R — универсальная газовая Дж Па м3 КГ кг моль Дж
постоянная моль • К Т — абсолютная температура К
11. Количество теплоты. Теплообмен
О Ci ОС II II II II ►с П £ 3 § 33 1 1 Q — количество теплоты с — удельная теплоемкость . г—удельная теплота парообразования Дж Дж кг • К Дж к
Л — удельная теплота плавления Дж К
т — масса вещества кг Q—удельная теплота сгорания Дж топлива кг
12. Первый закон термодинамики
+Q Q =&U +А' /V/ — изменение внутренней энергии Дж Q — количество теплоты Дж А — работа внешних сил над газом Дж Аработа газа над внешними силами Дж
13. КПД теплового двигателя
А’ Qi —Q2 Q1 27-КПД А' — работа газа над внешними силами Дж Qi — количество теплоты, полученное от нагревателя Дж Q%~ количество теплоты, отданное холодильнику Дж
РАЗДЕЛ 3
ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Электродинамика — это раздел физики, в котором
рассматриваются свойства и закономерности
электромагнитного поля, благодаря которому осуществляется
взаимодействие между электрически заряженными телами и
частицами.
История развития электродинамики — электризация тел при
трении (XVII в.); электрические заряды и их взаимодействия
(XVIII в.); явления атмосферного электричества (вторая поло-
вина XVIII в.), химические источники электричества,
электрический ток (конец XVIII в.); установление взаимосвязи
между электрическими и магнитными явлениями;
электромагнитная индукция; электромагнитная природа света;
открытие электрона (XIX в.).
Создание электродвигателей, генераторов тока, телеграфной
аппаратуры, осветительных приборов, станков и машин, систем
автоматического контроля и управления, бытовых приборов не-
мыслимо без применения электрического тока. Современный те-
лефон, телеграф, радио, телевидение, видеоаппаратура, ЭВМ —
все это устройства, в основу которых положены законы
электродинамики.
СОДЕРЖАНИЕ 3-го РАЗДЕЛА
Блок 9. Электростатика........................111
Блок 10. Законы постоянного тока..............120
Блок 11. Электрический ток в различных средах . . . 129
Блок 12. Магнитное поле. Электромагнитная
индукция..................................... 138
Основные формулы раздела
’’Электродинамика”....................148
Блок 9
Ш
ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Раздел электродинамики, а котором изучают свойства и взаи-
модействия покоящихся (относительно данной инерциальной си-
стемы отсчета) .заряженных частиц и тел, называют
электростатикой.
Блок содержит три основных группы вопросов:
электрический заряд, законы сохранения зарядов, закон Куло-
на;
электрическое поле и его свойства, основные характеристики
электрического поля — напряженность, разность потенциалов,
напряжение;
электроемкость, энергия электрического поля, вещество в
электрическом поле.
Содержание 9 -го блока
71. Электрический заряд. Закон сохранения
заряда....................................... 112
72. Закон Кулона..............................—
73. Электрическое поле. Напряженность поля .... 113
74. Вещество в электрическом поле...............114
75. Работа сил электростатического поля. Потенциал.
Разность потенциалов...........................115
76. Электроемкость. Конденсаторы...........; . . 116
Вопросы для самоконтроля
по блоку "Электростатика”............... . 117
112
Блок 9
71. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД.
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЗАРЯДА
Электрический заряд - физическая величина, опреде-
ляющая интенсивность электромагнитных взаимодей-
ствий.
\с т * кло I -(cutjx
Носителями отрицательных зарядов в атоме
являются электроны, носителями положитель-
ных зарядов — протоны.
МУ онит!
При электризации тел трением происходит перераспределение
имеющихся электронов между нейтральными, в первый момент,
телами.
Й------------------------------------------------ ----—
В данной системе алгебраическая сумма всех частиц ос-
тается неизменной. qi Ч- qz 4“ дз + - + Qn = const.
72. ЗАКОН КУЛОНА (1785)
Раздел электродинамики, изучающий неподвижные
электрические заряды, называется электростатикой.
Id *1^21
F — к---------—
F — сила взаимодействия точечных
неподвижных заряженных тел (Н),
I71LI72I — модули зарядов тел (Кл),
г — расстояние между заряженными
телами (м),
___Fe вакууме
£ — —-------— диэлектрическая проницаемость среды,
* в среде
г _ 1 9Нм2
& ~~ * Ю — коэффициент пропорциональности,
19 Кл2
$>=8,85 - ЦТ12—-
.Нм2
— электрическая постоянная.
Единица заряда [q] - Кл (Кулон); 1 Кл -1А • 1с.
1 кулон—это заряд, проходящий через проводник за 1 с при токе
1А
I > = —1,6 • 10~19Кл — заряд электрона,
= 9,1 * 10~21кг — масса электрона.
Блок 9
1Г
73. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ.
НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ
L Электрическим полем называют вид материи, посредством
которой происходит взаимодействие электрических зарядов.
2. Поле неподвижных зарядов называется электростати-
ческим.
Свойства электрического поля:
порождается электрическим зарядом;
обнаруживается по действию на заряд;
действует на заряды с некоторой силой.
Си \Н
Q
Кл
Е
X
Кл
Напряженность электрического поля в данной точке численно
равна силе, с которой поле действует на единичный положитель-
ный заряд, помещенный в эту точку. Р* -
F —qE — сила, действующая на заряд со стороны поля.
Напряженность - силовая характеристика электричес-
кого поля.
а)®
^>0
— напряженность поля, создаваемого точечным
зарядом д0 на расстоянии г от него.
' q Г_____т л Вектора напряженности в лкн
0 бой точке поля.
3. Принцип суперпозиции (наложения полей).
14
Блок 9
74. ВЕЩЕСТВО В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
По электрическим свойствам вещества делятся на проводники
и диэлектрики.
1. Проводниками называются тела, через которые элек-
трические заряды могут переходить от заряженного
тела к незаряженному вследствие наличия в них сво-
бодных носителей зарядов - электронов. К проводникам
относятся металлы.
Явление разделения разноименных зарядов в проводлике,
помещенном в электрическое поле, называется
электростатической индукцией.
Электрического поля внутри проводника .нет. Заряды в
проводнике распределяются только по его поверхности. /Тайное
явление используется в электростатической защите кабелей,
приборов
2. Диэлектриками (изоляторами) называются тела, че-
рез которые электрические заряды не могут перехо-
дить от заряженного тела к незаряженному. К
диэлектрикам относятся воздух, стекло, эбонит и т.д.
Виды диэлектриков
Неполярный диэлектрик состоит из
атомов или молекул, у которых центры
распределения положительных и
отрицательных зарядов совпадают.
Полярный диэлектрик состоит из моле-
кул, у которых центры распределения поло-
жительных и отрицательных зарядов не
совпадают.
Смещение положительных и отрицательных связанных
зарядов диэлектрика в противоположные стороны называет
дрмризацией.
Диэлектрики используются в практике в качестве изоляторов.
Блок 9
11
75. РАБОТА СИЛ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ.
ПОТЕНЦИАЛ. РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ
1.
При перемещении заряда силами элек-
тростатического поля производится работа
+ А = F • S, где S — F = qE.
A = — (fe) I~ работа сил
электростатического поля.
£
А = qE(di “ d2) = “ (QEd2 “ qEdi) = - (Wp2 -
Работа равна изменению потенциальной энергии, взято-
му с противоположным знаком, и не зависит от формы
траектории.
Wp =qEd — потенциальная энергия заряда в однородном
---------- электростатическом поле.
2. Потенциал электростатического поля в данной точке есть
скалярная величина, численно равная потенциальной
энергии единичного заряда, помещенного в эту точку поля.
ИЛИ
Wp
<р —Ed
Потенциал - энергетическая характеристика,
электростатического поля.
<р = — потенциал поля точечного заряда q0
———— на расстоянии г от него.
3. Под разностью потенциалов (напряжение) между двумя
точками понимают отношение работы поля при перемеще-
нии заряда из начальной точки в конечную к этому заряду.
U —^(p=(pi -(ft = ~
и-Elsd,
4. Единица разности потенциалов.
[А]" Дж
[?]-Кл
[£/] - = В (вольт)
Если при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в
другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж. то
разность потенциалов между двумя точками равна 1 В.
116
Блок 9
76. ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ. КОНДЕНСАТОРЫ
Электрическая емкость- характеристика проводника,
количественная мера его способности удерживать
электрический заряд.
Электроемкостью (емкостью, С) уединенного
проводника называется физическая величи-
на, численно равная заряду (q), который изме-
няет потенциал (<р) проводника на единицу.
|С = 4л£>ЕЯ |— электроемкость С
1J шара радиуса, зависит только
от£;£.
Единицей электроемкости в СИ слу-
электроемкости жит фарад - это электроемкость такого
Кл проводника, потенциал которого изме-
С=1—— =1Ф няется на 1В при сообщении ему
в электрического заряда в 1Кл.
2 Конденсатор - накопитель электрического заряда.
Конденсатор представляет собой два проводни-
ка, разделенные слоем диэлектрика, толщина ко-
торого мала по сравнению с размерами проводника
Электроемкостью двух проводников (взаимной
емкостью) называется физическая величина,
численно равная заряду (д), который нужно
перенести с одного проводника на другой, что-
бы изменить на единицу разность потенциалов
между ними.
Электроемкость плоского конденсатора
, S — площадь каждой обкладки,
р — d — расстояние между обкладками,
° Е—относительная диэлектрическая
-------- проницаемость вещества,
Со — электрическая постоянная.
3. Соединения конденсаторов
последовательное
• -||- *1Г--11Г—
С/ С3
|l=X+i+A + _|
IС С1 С2 Сз
параллельное
, f'T- ‘Т-
С=С1+Сг+Сз |
7^1
с_п
Если Ci = Сг = Сз =- — Сп
I | С =<71 -п ]
л ш -Чи -CU2
4. Wp — — — ~ — ~ энергия заряженного конденсатора.
Блок 9
117
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"ЭЛЕКТРОСТАТИКА”
Модуль 71. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЗАРЯД.
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЗАРЯДА.
1. Какие взаимодействия называют электромагнитными?
2. Что такое электрический заряд?
3. В чем сходство и отличие электрического заряда и
гравитационной массы?
4. Как взаимодействуют одноименные и разноименные
электрические заряды?
5 Какой заряд называют элементарным? Каково его значение?
6. В чем состоит явление электризации, объясните это явление с
точки зрения электронной теории.
7. Когда тело является электрически нейтральным, а когда
заряжен ным?
8. Произойдет ли электризации двух тел, состоящих из
вершенно одинакового вещества, при их соприкосновении?
9. Сформулируйте закон сохранения электрического заряда.
10. В каких случаях выполняется закон сохранения заряда?
Модуль 72. ЗАКОН КУЛОНА
1.Ч то определяет закон Кулона?
2. Как формулируют и записывают закон Кулона для взаимодей-
ствия зарядов в вакууме?
3 Какая величина характеризует влияние среды на силу взаимо-
действия между зарядами7
4. Запишите закон Кулона для взаимодействия зарядов с учетом
среды в системе СИ?
5. Чему равен коэффициент пропорциональности в законе Кулона
в СИ?
6. Чему равна электрическая постоянная?
7. Установите единицу электрического заряда в СИ,
сформулируйте ее определение.
8. Каково значение заряда и массы электрона?
9. Можно ли электрический заряд делить бесконечно?
Модуль 73. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ
1. Что такое электрическое поле?
2. Назовите основные свойства электрического поля.
3. Какое поле называют электростатическим?
118
Блок 9
4. Что называют напряженностью электрического поля? Кайая
формула выражает суть этого понятия?
5*Чему равна напряженность точечного заряда?
6. Сделав чертеж, объясните сущность принципа суперпозиции
электрических полей.
7. Что называют линиями напряженности электрического поля?
8. Какое электрическое поле называют однородным?
9. Приведите примеры графического изображения электрических
полей.
10. Какое направление имеет вектор напряженности электрического
поля?
Модуль 74. ВЕЩЕСТВО В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
L Какие вещества называются проводниками?
2. Какие электрические заряды называются свободными?
3. Какие частицы являются носителями свободных зарядов в метал-
лах?
4. Что происходит в металле, помещенном в электрическое поле?
5. Как распределяется по проводнику сообщенный ему заряд?
6. Если находящийся в электрическом поле проводник разделить на
две части, как будут заряжены эти части?
7. На каком принципе основана электростатическая защита?
8. В чем состоит явление электростатической индукции?
9. Над молниеотводом проходит отрицательно заряженная туча. Объ-
ясните на основании электронных представлений, почему на
острие молниеотвода возникает заряд7 Каков его знак?
10. Какие вещества называют диэлектриками?
11 Какие диэлектрики называют полярными, а какие — неполярными*'
12. Опишите поведение диполя во внешнем электрическом поле.
13. Нарисовав рисунок, объясните сущность явления поляризации ди-
электриков.
Модуль 75. РАБОТА СИЛ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО
ПОЛЯ.ПОТЕНЦИАЛ. РАЗНОСТЬ ПОТЕНЦИАЛОВ.
1Что понимают под работой электрич^скиАЮ
2. Как понимать выражение ^электрическое поле потенциально”0
3. Какие поля называют потенциальными?
4, Как связано изменение потенциальной энергии с работой?
5. Чему равна потенциальная энергия заряженной частицы в од-
нородном электрическом поле7
в. От чего зависит работа по перемещению заряда из одной точкч
поля в другую?
7.Чему равна работа по перемещению заряда по замкнутому контуру7
Блок 9
8. Запишите формулу работы по перемещению заряда в
электрическом поле.
9. Что называют потенциалом электростатического поля? Какая
формула выражает смысл этого понятия1 2 3 * 5 6 7
10. Что называют разностью потенциалов между двумя точками
поля? Какая формула выражает смысл этого понятия?
11 Выведите единицу потенциала и разности потенциалов в СИ и
сформулируйте определение этой единицы
12. Что называют электрическим напряжением, какова его связь о
разностью потенциалов7
13. По какой формуле находят потенциал электростатического
поля точечного заряда?
14 Какие поля называют эквипотенциальными7
15. Какая формула выражает связь напряженности и разности
потенциалов в произвольном электростатическом поле? в од-
нородном поле7
Модуль 76. ЭЛЕКТРОЕМКОСТЬ. КОНДЕНСАТОРЫ.
1. Что называют электроемкостью уединенного проводника7 Ка-
кая формула выражает сущность этого понятия?
2. Запишите формулу электроемкости шара.
3. От чего зависит электроемкость проводника? Влияет ли среда
на электроемкость проводника?
4.Что называют конденсатором? зарядом конденсатора?
5. Что называют электроемкостью двух проводников?
6, Назовите единицу электроемкости в СИ Сформулируйте
определение этой единицы.
120
Блок 10
ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Блок включает наиболее важные прикладные вопросы:
электрический ток, закон Ома для участка цепи, сопротивление •
проводников, работа и мощность постоянного тока, а также сведе-
ния о сторонних силах и ЭДС, законе Ома для полной цепи.
Содержание 10 -го блока
77. Электрический ток. Сила тока............ 121
78. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление . . .122
79. Зависимость сопротивления проводника
от температуры. Сверхпроводимость...............—
80. Соединение проводников....................123
81. Работа и мощность постоянного тока.
Закон Джоуля — Ленца . .......................124
82. Электродвижущая сила.
Закон Ома для полной цепи................. . . 125
Вопросы для самоконтроля по блоку
’’Законы постоянного тока” . .............126
Блок 10
121
77. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. СИЛА ТОКА
1 Всякое упорядоченное движение носителей зарядов называ-
ется электрическим током.
За направление тока принимают направление движения
положительно заряженных частиц.
Условия, необходимые для существования электрического тока:
наличие свободных заряженных частиц;
наличие электрического поля, действующего на заряженные
частицы с силой F ~qE, создающего и поддерживающего их
упорядоченное движение.
Действия тока:
проводник, по которому течет ток, нагревается;
электрический ток может изменить химический состав
проводника;
ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагни-
ченные тела
Сила тока численно равна заряду,
протекающему через данное поперечное сече-
ние проводника в единицу времени.
Ток называется постоянным, если сила то-
ка и его направление не изменяются с течени-
ем времени.
о I
1 ампер (А) равен силе постоянного тока,
Кл _ при котором через любое поперечное сечение
1 " 1— — 1А проводника за 1 с протекает 1 Кл электри-
с чества.
f '^\I =qonvS \
I — сила тока,
q0 — заряд каждой частицы,
N
п концентрация частиц,
v — скорость частиц,
S — площадь поперечного се-
чения проводника.
. I г 1 А
Э ~ — q^nv плотность тока L7J — ~
£
Силу тока в цепи измеряют амперметром.
На схемах ампермет]
микроамперметр — (и
), миллиамперметр —
Амперметр включается в цепь последова-
тельно с тем прибором, силу тока в котором
нужно измерить.
122
Блок 10
78. ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ.
СОПРОТИВЛЕНИЕ
1 В1826 году немецкий физик Георг Ом экспериментально установил:
I (Л При
О
Сила тока в участке цени прямо пропорциональна
напряжению на концах этого участка и обратно
пропорциональна его сопротивлению.
U В
2
сопротивление
проводника
Проводник имеет сопротивление в
= Ом 1 Ом .если при разности потенциа-
лов 1В сила тока в нем 1А.
I — длина проводника,
£ — площадь поперечного сечения
проводника,
р — удельное сопротивление проводника.
гч 2
де Ом ’ ММ
р = ^~; \р=----= 10 Л)м *м
Г1 4 м
79. ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА
ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ. СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
При 0°С - Ro I R - Ro
— =<#,
ec-R : R°
где а - температурный коэффици-
ент сопротивления - относитель-
ное изменение сопротивления при
нагревании его на один градус.
|/Г=Я0(1 +ш)"| [р=д(1 +atj "J
зависимость сопротивления и удельного
сопротивления от температуры
В1911 году голландский физик Камер линг — Оннес открыл явле-
ние сверхпроводимости.
Ртуть при охлаждении в жидком гелии
теряет свое сопротивление при Т = 4ДК.
Создание сверхпроводимых материалов —
важнейшая техническая задача.
Блок 10
123
80. СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
1 Последовательное соединение проводников:
а) сила тока одинакова во всех
проводниках
1х—1ч—1з—1 = const;
б) падение напряжения в цепи равно сумме падений напряжений на
отдельных участках: Ux + Уъ + t/з = У;
в) падение напряжения на проводниках прямо пропорционально их
Ух Ri
сопротивлениям: — = —,
г) общее сопротивление цепи*
R — Rx 4-ft 2 4Дз+.. Если Rx — Rz — R3 ~ .. — Rn [ft — fti ’ nJ
2. Параллельное соединение проводников
;-1----(7)—j---1---1 а) падение напряжения, з
i JL А А А параллельно соединенных участ-
ч М д х х ках цепи, одинаково
| 1 Ух = Уч = Уз = U = const;
5) сила токов в неразветв ленной части цепи равна сумме сил токов,
текущих в разветвленных участках цепи.
Ix +I2+/з=/;
в) сила токов в участках разветвленной цепи обратно пропорцио-
нальна их сопротивлениям:
Л ^ft2.
/2 fti’
г) общее сопротивление цепи:
~ — ——F — 4- ——h . Если fti =ft2 ~ ft з = •• —Rn R =
ft fti ft 2 ft3 * 1
Шунтирование амперметра Добавочное сопротивление
к вольтметру
1а ' Ra
Ra — сопротивление
амперметра,
/а — ток, на который
рассчитан амперметр,
I — измеряемый ток.
fte — сопротивление
вольтметра,.
Ue — напряжение, на которое
рассчитан вольтметр,
V — измеряемое напряжение*
124
Блок 10
81 РАБОТА И МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА.
ЗАКОН ДЖОУЛЯ - ЛЕНЦА.
1. Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока на
напряжение и на время, в течение которого совершилась
работа.
А = Л/ДЙ -с =Дж
Используя закон Ома для участка цепи, выразим напряжение
через силу тока либо силу тока через напряжение, — получим три
эквивалентные формулы работы тока.
7т2
A =IU/St = IzR&t=^~^t-Q , так как А
R
р- U=IR-
а
формулы работы тока.
2. Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно
произведению квадрата силы тока, сопротивлению проводни-
ка и времени.
Q = I2R Дt — закон Джоуля — Ленца.
Q ~А, так как количество теплоты, выделяемое провод! пне ом с
током, равно работе силы тока.
3. Мощность электрического тока равна работе, которая со-
вершается током за единицу времени.
j Р — I2R =— — мощность электрического тока.
I R
[р] = А • В =Вт(ватт)
с
Единицы работы и энергии
р = Aiy =pAt
ZAC
1Вт * с = 1Дж
1Вт • ч = 3680Дж =3,6 • 103Дж
1кВт • ч =360еб00Дж =3,6 • 106Дж
Блок 10
125
82. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА.
ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ
Любые силы, действующие на
электрически заряженные частицы,
за исключением сил электростати-
ческого происхождения (т.е. кулонов-
ских), называют сторонними
силами.
Внутри источника заряды движутся под действием сторонних
сил против кулоновских сил, а во всей остальной цепи их приводит
в движение электрическое поле.
Лет
Q
Электродвижущая сила (ЭДС) в замк-
нутом контуре представляет собой от-
ношение работы сторонних сил при
перемещении заряда вдоль контура к
заряду.
Сила тока в полной цепи равна отно-
шению ЭДС цепи к ее полному
сопротивлению
— закон Ома для
полной цепи.
8 — ЭДС источника тока,
R — внешнее сопротивление цепи,
г — внутреннее сопротивление
источника
%^1'R +lr\
ЭДс равна сумме падений напряжений
на внешнем и внутреннем участках замк-
нутой цепи.
5 Последовательное соединение источников тока.
£ = £1 4- £2 4- £з 4"..
Если £i = £2 — £з =
£1 • п
R 4-п ‘ п
г — £i • п
I Параллельное соединение источников тока.
£1 —• £г ~ £з £ — £1
2=-^-
R + —
п
126
Блок 10
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА”
Модуль 77. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК.
СИЛА ТОКА
1. Что называют электрическим током7
2. Какое направление тока принимают за положительное?
3. Какие условия необходимы для существования электрического то-
ка?
4. Что называют силой тока? Какая формула выражает смысл этого
понятия7
5. Какова единица силы тока в СИ7 Сформулируйте определение этой
единицы. Как следует понимать, что сила тока равна 5 А?
6 Какой ток называют постоянным7
7. Постройте и объясните график постоянного тока.
8. Выведите формулу силы тока на основе электрических представ-
лений
9. Что называется плотностью тока7 Какая формула выражает смысл
этого понятия7
10. Какова единица измерения плотности тока в СИ?
Модуль 78. ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ
СОПРОТИВЛЕНИЕ.
1 Нарисуйте схему эксперимента, в котором устанавливают закон
Ома для участка цепи.
2 Как записывают и формулируют закон Ома для участка цепи?
3 Что называют падением напряжения?
4 Установите единицу сопротивления в СИ и сформулируйте ее
определение
5 Какой формулой выражают зависимость сопротивления провод-
ника от его длины, поперечного сечения и вещества?
6 . Что называют удельным сопротивлением проводника? Каков физи*
ческий смысл этой величины?
7 Постройте вольт-амперную характеристику проводника.
Модуль 79. ЗАВИСИМОСТЬ СОПРОТИВЛЕНИЯ
ПРОВОДНИКА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ
СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ
L Как с точки зрения электронной теории объяснить понятие
сопротивление проводника?
2. Каков характер зависимости сопротивления металлов от тем-
пературы? Объясните данную зависимость с точки зрения
Блок 10
127
электронной теории
3. Запишите формулы зависимости сопротивления и удельного
сопротивления проводника от температуры.
4. Что называют температурным коэффициентом сопротивления?
Каков его физический смысл?
5. Начертите график зависимости удельного сопротивления от
температуры.
6. В чем состоит явление сверхпроводимости?
7. Каковы главные технические трудности использования
сверхпроводников на практике?
Модуль 80. СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДНИКОВ
1. Как меняется сила тока на участках последовательного соеди-
нения цепи?
2. Какая связь напряжения на концах этой цепи с напряжением
на отдельных ее участках7
3. Напишите формулы для общего сопротивления последователь-
но соединенных проводников.
4 Различны ли напряжения на концах параллельно соединенной
цепи и на ее ветвях?
5. Какова связь силы тока в разветвленной части этой цепи с
силами токов в ее ветвях7
6. Как связаны между собой силы токов и сопротивления в ветвях
параллельно соединенной цепи?
7. Напишите формулы для общего сопротивления параллельно
соединенных проводников.
8. Какова роль шунта, параллельно подключенного к амперметру?
9. Напишите формулу для расчета сопротивления шунта к ам-
перметру.
10. Какова роль добавочного сопротивления, подключенного после-
довательно с вольтметром?
11. Напишите формулу для расчета добавочного сопротивления к
вольтметру.
Модуль 81. РАБОТА И МОЩНОСТЬ ПОСТОЯННОГО
ТОКА. ЗАКОН ДЖОУЛЯ-ЛЕНЦА
1. Напишите формулу для определения работы постоянного тока.
2. Докажите, что работа тока измеряется в джоулях.
3. Как записывается закон Джоуля—Ленца?
4. Как зависит количество теплоты, выделяемое током в
проводки ках, от сопротивления этих проводников при их по-
следовательном и параллельном соединении?
128
Блок 10
5. Напишите формулу мощности постоянного тока.
6. Докажите, что мощность тока выражается в ваттах.
7. Каким прибором измеряется мощность постоянного тока?
8. Начертите схемы включения в цепь постоянного тока амперметра,
вольтметра и ваттметра.
9. Что измеряется в киловатт-часах?
Модуль 82. ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА.
ЗАКОН ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ
L Почему электрическое поле заряженных частиц не способно под-
держать постоянный электрический ток в цепи?
2. Что называют сторонними силами?
З. Что называют ЭДС источника тока? Каков физический смыслОДС?
В каких единицах ее выражают?
4. Что понимают под внутренней и внешней частью цепи?
5. Что показывает вольтметр, присоединенный к полюсам источника
тока при разомкнутой внешней цепи? при замкнутой внешней це-
пи?
6. Выведите формулу закона Ома для полной цепи. Как читается
данный закон?
7. Чему равна ЭДС нескольких последовательно соединенных источ-
ников тока?
8. Чему равна ЭДС нескольких параллельно соединенных одинаковых
источников тока?
Блок 11
129
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ
Электрический ток в различных средах изучают на основе
Представлений о микроструктуре вещества и элементов классиче-
ской электронной теории. Рассматриваются механизмы проводи-
мости электрического тока в металлах, в полупроводниках, в
вакууме, в жидкостях и газах; природа носителей зарядов и
Характер их движения в этих средах.
Содержание 11 - го блока
83. Электрический ток в металлах i » * • 130
84. Электрический ток в жидкостях. Законы Электро*
лиза............... к..............Л31
85. Электрический ток в газах..................^32
86. Электрический ток в вакууме » .............133
87. Электронные лучи. Электронно-лучевая трубка > . *—
88. Электрический ток в полупроводниках........134
Вопросы для самоконтроля по блоку
*'Электрический ток в различных средах" . • . . . 135
130
Блок 11
83. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ
1. Все металлы являются проводниками электрического тока и со-
стоят из пространственной кристаллической решетки, узлы ко-
торой совпадают с центрами положительных ионов, а вокруг ионов
хаотически движутся свободные электроны
В металлах электронная
проводимость.
2
Электрическим током в металлах называется
упорядоченное движение свободных электронов.
Опыт ЛИ Мандельштама и НДЛапалекси
(1913 ) экспериментально доказывает, что
проводимость металлов обусловлена движе-
нием свободных электронов.
— =1,8 • 1011—
ГПа КГ
— удельный заряд
электрона.
3 Основные характеристики тока в металлах (проводниках)*
а) сила тока в проводнике
Дд
I ~ ~т~7 = envS
At
где е = 1,6 * 10 19Кл — модуль заряда электрона,
п «1028м~3 — концентрация электронов,
4М
v «10 — — средняя скорость электронов,
S — площадь поперечного сечения проводника.
б) зависимость силы тока в проводнике от напряжения,
в) зависимость сопротивления проводника от температуры
4 Применение тока в металлах.
Используется для передачи электроэнергии на расстояние.
Блок 11
131
84. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ.
ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРО ПИЗА
1, Из жидкостей электрический ток проводят только
электролиты - растворы солей, кислот и щелочей.
MnifpKVAA Распад молекул электро-
литов на ионы называется
.....т) электрической диссоииа-
иией,
ионы со*- В жидкости ионная проводи-
u мость.
Электрическим током в жидкости называется направлен-
ное движение положительных ионов к катоду, а отрицатель-
ных ионов — к аноду.
2. Выделение на катоде вещества, входящего в состав
электролита, называется электролизом.
Первый закон Фарадея: масса вещества (т), выделившегося на
катоде, прямо пропорциональна заряду \q), прошедшему через
электролит.
т *= klAt = kq
где к — электрохимический эквивалент вещества численно равен
массе выделившегося вещества, при переносе заряда в 1Кл.
Второй закон Фарадея* электрохимические эквиваленты веществ
прямо пропорциональны отношениям их молярных масс (М) к ва-
лентности (п). ----------
. 1 М
к = — —•
F п
Объединенный закон Фарадея:
1 МгЛ> 1 М
F п F п
F -еЫл =96500-^-
МОЛЬ
где F — постоянная Фарадея численно равная заряду, ко-
торый должен пройти через электролит, чтобы на
электроде выделился 1 моль одновалентного вещества.
qoz =пе — заряд иона, где с — модуль заряда электрона,
3. Применение электролиза
Получение алюминия и бокситов; очистка металлов от примесей;
получение водорода.
Электрометаллургия. Гальванопластика. Гальваностегия —
покрытие металлических изделий неокисляющимися металлами
(никелирование, хромирование); гальванопластика —>
воспроизведение форм предметов в матрицах.
132
Блок 11
85. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ
1В обычных условиях газы состоят из нейтральных атомов и молекул
и являются диэлектриками.
мзлучениеХ
тепло $
ионизация рекомбинация
Распад атомов на положительные ионы и электроны на-
зывается ионп^шц£и, обратный процесс - рекомбинацией.
газах электронно-ионная проводимость
Протекание тока через газ называется га-
0®| зовым разрядом.
Электрическим током в газах называется направленное
движение положительных ионов к катоду, отрицательных
ионов и электронов к аноду
2, Самостоятельный и несамостоятельный разряды
Газовый заряд, протекающий под действием иониза-
тора, называется несамостоятельным, а без ионизатора -
самое тоятельным.
о и*
тл^ I — условие ионизации где 1 — длина свободного
—— = еЕ1 электронным ударом, пробега.
3. Типы самостоятельных разрядов
1. Тлеющий разряд.
2. Искровой разряд (молния).
3. Коронный разряд.
4. Дуговой разряд.
4. Плазма.
Плазма - это частично или полностью ионизированный газ,
в котором плотности положительных и отрицательны^
зарядов практически совпадают
5. Применение тока в газах.
Лампы дневного света, лазеры, плазмотроны, МГД — генераторы,
Блок 11
133
86. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ
Вакуумом называется такал степень разряжения газа,
при которой можно считать, что длина свободного
пробега молекул превышает линейные размеры сосуда.
Вакуум не пропускает электричес-!
кий ток, так как нет носителя заряда.]
I
р • рг сг
вольт-амперная ха-
рактеристика дио
да
р1
Выход свободных электронов из металла под действием
нагревания называется термоэлектронной эмиссией.
Ток в вакууме осуществляется за счет термоэлектронной
эмиссии и представляет собой направленное движение
электронов от катода к аноду.
87. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛУЧИ.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА
Электронные пучки (электронные, катодные лучи) -
это поток быстро летящих электронов.
Свойства электронных пучков
а) вызывают свечение некоторых твердых и жидких тел (стекла,
сульфидов цинка, кадмия),
5) при резком торможении быстрых электронов, падающих на
вещество, возникают рентгеновские лучи,
в) электронные пучки, попадая на тела, вызывают их нагревание;
г) электронные пучки отклоняются в электрическом и магнитном
поле.
Использование тока в вакууме
В электронных лампах, электровакуумных печах, рентгеновских
трубках, электронно-лучевых трубках применяемых в телеви-
зорах, в осциллографах, в дисплеях ЭВМ,
134
Блок 11
88. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
Полупроводниками называются вещества, удельное сопро-
тивление которых убывает с повышением температуры.
К полупроводникам относятся гер-
маний, кремний, селен и др.
В полупроводнике электронно-
дырочная проводимость
Электрическим током в полупроводниках называется
направленное движение электронов к положительному полю-
су, а дырок - к отрицательному полюсу. (Собственная
проводимость )
2. Примерной проводимостью полупроводников называется их
электропроводимость, обусловленная внесением в их
кристаллические решетки примесей.
xV-Л Донорная примесь - это примесь, отдаю*
/ЙА. щая свой лишний электрон, неучаствующий в
"создании ковалентной связи.
к Mtw* Полупроводники с донорными примеся-
ми °бл(юают электронной проводимостью
и называются 'полупроводниками п - типа.
Акцепторная примесь - это примесь, у ко-
торой не достает электронов до полной кова*»
лентной связи с соседними атомами
дыр <а " Полупроводники с акцепторными при*
меся ми обладают дырочной проводимо*
стью и называются полупроводниками
''v р - типа,
3. Полупроводниковый диод:
а) прямой р—п ~ переход; б) обратный р—п - переход.
п(~>
4. Транзистор.
Р- Д-р
лб> р(^)
5 Применение полупроводников.
В современной технике применяются в элементах электроники *•
диоды, транзисторы, теристоры, термисторы, фоторезисторы, фо-
тодиоды, светодиоды и др.
Блок 11
135
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
’’ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ”
Модуль 83. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ
1. Перечислите вещества, являющиеся хорошими проводниками
электрического тока.
2. Перечислите необходимые условия для существования
электрического тока в металлах.
З. Что называют электрическим током в металлах?
4. Чем обусловлена электропроводность металлов?
5. Какой эксперимент подтвердил существование в металлах сво-
бодных электронов’? Нарисуйте схему эксперимента и объясни-
те суть опыта.
6. Определите направление’электрического тока в катушке в мо-
мент торможения.
7. Что называют удельным зарядом носителя тока? Каков удель-
ный заряд электрона9
8. По какой формуле определяется сила тока в проводнике?
9. Какова зависимость тока в проводнике от напряжения?
Постройте график этой зависимости.
10. Какова зависимость сопротивления проводника от тем-
пературы? Постройте график этой зависимости.
Модуль 84. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ.
ЗАКОНЫ ЭЛЕКТРОЛИЗА
L Какие вещества относятся к электролитам9
2. Что такое электролитическая диссоциация?
3. Что называют электрическим током в жидкостях?
4. Чем обусловлена электропроводность электролитов?
5. Почему при прохождении тока по раствору электролита
происходит перенос вещества, а при прохождении по металли-
ческому проводнику не происходит?
6. Что называют электролизом?
7. Напишите и сформулируйте первый закон Фарадея для элек-
тролиза
8. Что называют электрохимическим эквивалентом вещества? Ка-
кова его физическая суть?
9 Напишите и сформулируйте первый закон Фарадея для элек-
тролиза.
10 . Напишите формулу объединенного закона Фарадея для элек-
тролиза.
1L Что называют постоянной Фарадея для электролиза? Каков
136
Блок 11
физический смысл этой постоянной7 Напишите ее значение.
12. Приведите примеры применения электролиза.
Модуль 85. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ
1В результате какого процесса газ становится электропроводным?
2. Что называют ионизацией газа7
3. Что называют рекомбинацией атомов7
4. Какие заряды являются носителями тока в газах?
5. Что называется электрическим током в газах?
6. Что называется газовым разрядом7 Нарисуйте схему эксперимента
по изучению закономерностей тока в газах и объясните особенно-
сти несамостоятельного разряда в газах.
7. Объясните особенности самостоятельного газового разряда, на-
чертив полную вольт-амперную характеристику газового разряда
8. Какой процесс называют ионизацией электронным ударом?
9. Перечислите и опишите виды самостоятельных разрядов в газах.
10. Что такое плазма? Каковы ее особенности? Какие виды плазмы
существуют?
Модуль 86. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ВАКУУМЕ
1Что называют вакуумом?
2. Что такое термоэлектронная эмиссия?
3. Объясните устройство вакуумного диода.
4. Начертив схему опыта, объясните принцип работы вакуумного ди-
ода.
5. Начертите вольт-амперную характеристику вакуумного диода.
6. Какие функции может выполнять диод?
Модуль 87. ЭЛЕКТРОННЫЕ ЛУЧИ.
ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВАЯ ТРУБКА
1. Что понимают под электронным лучом (пучком)7
2. Перечислите свойства электронных лучей (пучков).
3. Нарисуйте схему и объясните принцип действия электронно-луче^
вой трубки.
4. Расскажите о применении тока в вакууме.
Блок 11
Модуль 88. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
В ПОЛУПРОВОДНИКАХ
1 Какие вещества называют полупроводниками? Приведете
примеры полупроводниковых веществ.
2 . По какому характерному признаку можно отличить по-
лупроводник от металла7 (Ответ обоснуйте используя
графики)
3 . Объясните механизм возникновения собственной проводимости
полупроводников.
4 Назовите носителей тока собственной проводимости по-
лупроводников.
5. Что называется электрическим током в безпримесных по-
лупроводниках7
6. Какие существуют виды примесных полупроводников? При
внедрении каких примесей они образуются?
7. Какого рода примеси называют донорными, а какого — акцеп-
торными7
8 Какие полупроводники называют п - типа? р - типа?
9. Что такое р—п - переход? Какой ток через р—п - переход
называют прямым? какой обратным?
10. Начертите вольт-амперную характеристику р—п - перехода.
1L Какое свойство р—п - перехода используется для выпрямления
переменного тока? В каком приборе оно используется?
12. Что такое транзистор? Каково его практическое применение?
13. Что такое термистор? фоторезистор? Каково их практическое
применение?
138
Блок 12
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
Электромагнитизм в разделе “Электродинамика” рассмат-
ривается в двух темах; “Магнитное поле токов” и “Электромагнит-
ная индукция”.
Первая тема знакомит с новым понятием “магнитное поле”,
свойствами магнитного поля и его характеристиками. Тема
раскрывает вопросы, имеющие большое прикладное значение —
действие магнитного поля на отрезок проводника с током (сила
Ампера) и действие магнитного поля на отдельно заряженную
частицу (сила Лоренца).
Вторая тема раскрывает явление электромагнитной индукции,
которое лежит в основе устройства генераторов, превращающих
механическую энергию в электрическую.
Содержание 12 - го блока
89. Магнитное поле............................139
90. Закон Ампера..............................140
91. Сила Лоренца................................—
92. Вещество в магнитном поле.................141
93. Электромагнитная индукция.................142
94. Вихревое электрическое поле.................—
95. Закон электромагнитной индукции...........143
96. Самоиндукция............................ 144
97. Индуктивность................................—
98, Энергия магнитного поля’....................—
Вопросы для самоконтроля по блоку
“Магнитное поле. Электромагнитная индукция” 145
Блок 12
139
89. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
1. Магнитное поле - это особая форма материи, которая
существует реально, независимо от нас, от наших знаний
о нем.
Основные свойства магнитного поля.
магнитное поле порождается электрическим
током (движущимися зарядами);
магнитное поле обнаруживается по действию
на ток (движущиеся заряды),
магнитное поле действует только на подвиж-
ные заряды с определенной силой.
2 Правила, определяющие направления магнитного поля (линий
магнитной индукции).
а) правило буравчика для
прямого проводника с током,
б) правило буравчика для
кругового проводника с током;
в) правило соленойда.
Магнитное поле гра-
фически изобража-
ется в виде линий
магнитной индукции.
3 Модуль вектора магнитной индукции
Вектор магнитной индукции — это силовая характеристика маг-
нитног юля.
4 Единица магнитной индукции.
В- = 1^- — - 1Тл (тесла )
Ан2 А*1
5 Направление вектора магнитной индукции
6. Магнитный поток.
Вектор магнитной индукции
направлен по касательной к ли-
ниям магнитной индукции.
[Ф ~В * S * cosZFj
ф =1Тл • 1м2 — 1Вб(веоер)
140
Блок 12
90. ЗАКОН АМПЕРА
Закон Ампера определяет силу, действующую на проводник
с током в магнитном поле.
а=/(в!)
сила Ампера
Направление си
лы Ампера опреде-
ляется по правилу
левой руки
X XIX X
г
X X х
х к х к
X к X X
Использование силы Ампера.
Электродвигатели
Электроизмерительные приборы
91. СИЛА ЛОРЕНЦА
Сила Лоренца - сила, действующая на движущуюся заря-
сила Лоренца
2лт
радиус окружности движения! период обращения час-
частицы в магнитном поле тицы в магнитном поле
Направление си-
лы Лоренца опреде-
ляется по правилу
правой и певой ру-
ки
Использование силы Лоренца
Л1Г D - генераторы
Uu^^uoec^ue
ре ^OpU-Oft
Jl/aec - спектрограф»
Блок 12
141
92. ВЕЩЕСТВО В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
1. Магнитная проницаемость среды.
Физическая величина, показывающая, во сколько раз
| _г я индукция магнитного поля в однородной среде В отли-
\f* *“ чается др модулю от индукции магнитного поля в ва-
L-----0_J кууме bq f называется магнитной проницаемостью
среды Ц.
2. Гипотеза Ампера,
Тела обладают магнитными свойствами вследствие то*
го, что внутри молекул и атомов циркулируют элемен-
тарные и электрические токи.
-—г \Электрон создает магнитное поле за
счет орбитального движения вокруг
\Q2dJ \ иксу \ атомного ядра, а также вследствие
xftjz / / собственного вращения”,
3. Классификация веществ по их магнитным свойствам.
1. Диамагнетики— fl <1; Мысы. *=0,9992
(висмут, свинец, цинк, азот и др.);
2. Парамагнетики— fl >1; flAi 1,00023
(алюминий, кислород, натрий, магнит и др.)}
3. Ферромагнетики — /4 »1; /А?тали ° 810*
(железо, никель, кобальт и их сплавы).
Свойства ферромагнетиков:
а) обладают остаточным магнетизмом;
6) fl зависит от индукции внешнего магнитного поля;
в) температура, при которой исчезают матитные свойства фор*
ромагнетика, называется точкой Кюри (Ътая* в 700—800° С)
4. Применение ферромагнетиков в технике,
В роторах генераторов и электродвигателей, в сердечниках
трансформаторов и электромагнитных реле, в ЭВМ, в телефонах, В
микрофонах, на магнитных лентах и дисках-
5 Магнитная запись и воспроизведение звука.
142
Ьлок 12
93. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
Явление электромагнитной индукции было обнаружено
М Фарадеем 29 августа 1831 года В основе опытов Фарадея лежа-
ла идея, что если вокруг проводника с током возникает магнитное
поле, то до лжно существовать и обратное явление — возникновение
электрического тока в замкнутом проводнике под действием маг-
нитного поля.
опыты
Фарадея
{Если замкнутый контур проводника пронизывает переменное
магнитное поле, в проводнике возникает ЭДС индукции, вызы-
вающая появление электрического тока, называемого индук-
ционным, а все явление называется электромагнитной
индукцией.
94. ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Основные свойства поля Вид ПОЛЯ
электрическое магнитное вихревое электрическое
.... - 1 1 источник - поля электрический заряд движущийся заряд-ток изменяющееся магнитное поле «у
индикатор поля электрический заряд ® XX'1 % ** движущийся заряд-то к электрический заряд
потенциаль- ное или непо- тенциальное поле ! : | потенциальное непотенциаль- ное (вихревое) непотекциаль- ное (вихревое)
линии поля незамкнутые 1 замкнутые 7 А/ замкнутые
aZ>0 ин Переменное электрическое поле возбужда-
/Ж4 ((да) ет переменное магнитное, а переменное маг*
4 нитное — переменное электрическое и т д
Электромагнитное поле — один из видов материи, характери-
зуемый наличием переменного электрического и магнитного
полей, связанных непрерывным взаимным превращением
Блок 12
Г43
95. ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ
1 ЭДС индукции.
Работу сил вихревого электрического поля при перемещении
единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура
называют электродвижущей силой индукции (Ег).
2 . Закон электромагнитной индукции:
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна по модуле
скорости изменения магнитного потока через поверхность,
ограниченную контуром.
8 .ЭДС индукции и направление индукционного тока в замкнутой
круговом проводнике (в катушке)
n~Kt
ЭДС индукции
в катушке
Направление индукционного тока
определяется по правилу Ленца:
возникающий в замкнутом контуре
индукционный ток противодейст-
вует тому изменению магнитного по-
тока, которым вызван данный ток
4. ЭДС индукции направление индукционного тока в прямолщ
нейном проводнике, движущемся в магнитном поле
^Blvsina
a~Z(Bv)
ЭДС индукции В ДВИЖУЩИХСЯ
проводниках
Направление индукционного тока
определяется правилом правой руки:
если ладонь правой руки расположить
так, чтобы вектор магнитной индук-
ции В'входил в ладонь, а отставленный большой палец сов-
падал с направлением скорости проводника, то четыре вы-
тянутых пальца укажут направление индукционного
тока.
144
Блок 12
96. САМОИНДУКЦИЯ
При изменении силы тока в катушке происходит изменение маг-
нитного потока, создаваемого этим током. Изменение магнитного
потока, пронизывающего катушку, вызывает появление ЭДС ин-
дукции в катушке, называемой ЭДС самоиндукции.Под действием
ЭДС самоиндукции в катушке появляется ток самоиндукции, ко-
торый противодействует изменению основного тока в цепи, вызы-
вающего это явление, называемое самоиндукиией.
Нарастание (убывание)
•тока с течением времени
при замыкании (размыка-
нии) цепи.
Явление возникновения ЭДС в электрической цепи в ре-
зультате изменения силы тока в этой же цепи называется са-
моицдукциеЯ.
97. ИНДУКТИВНОСТЬ
ф ~ ~ i =>|ф =£2^- магнитный поток самоиндукции контура,
где L — индуктивность контура или коэффициент самоиндукции
(L зависит от размеров и формы проводника, от магнит-
ных свойств средыJ.
_ Аф _ А/
At LM
— ЭДС самоиндукции.
Индуктивность — это физическая величина, численно
равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изме-
нении силы тока на 14 за 1с.
. . А/ .
л ,при д£ = 1
Единица индуктивности
Индуктивность проводника равна
1 Гн, если в нем при изменении силы
тока на 1А за 1с возникает =1В.
В • с
^1Гн:
(Генри)
98. ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
w ~LI&
Wm~ 2
Чтобы создать в проводнике с индук-
тивностью L ток I, источник тока должен
совершить против ЭДС самоиндукции
работу, которая по закону сохранения
энергии равна энергии магнитного поля
тока и определяется по данной формуле.
Блок 12
145
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ”
Модуль 89. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
1. Что называют магнитным полем? Каковы его основные свойства?
2. Как взаимодействуют между собой параллельные токи? Чем
вызывается их взаимодействие?
3. Перечислите правила, определяющие направление магнитного
поля (линий магнитной индукции)? Поясните, как пользоваться
каждым из правил.
4 Как определяют модуль вектора магнитной индукции? Какой
формулой его выражают?
5. В каких единицах измеряется магнитная индукция Б СИ?
Сформулируйте определение этой единицы.
6. Что называется линиями магнитной индукции?
7. Какие поля называются вихревыми?
8. Что называется потоком магнитной индукции и в каких едини-
цах он измеряется7
Модуль 90. ЗАКОН АМПЕРА
1.Что устанавливает закон Ампера?
2. Сделайте рисунок и опишите опыт, с помощью которого можно
проверить справедливость закона Ампера.
З.Чему равен модуль силы Ампера?
4. Сформулируйте правило, позволяющее определить направление
силы Ампера.
5. Приведите примеры практического использования силы Ампера*
Модуль 91. СИЛА ЛОРЕНЦА
1. Какую силу называют силой Лоренца?
2. Напишите формулу для определения силы, с которой магнитное
поле действует на движущийся в нем заряд.
3. Как движется заряженная частица в однородном магнитной
поле в случае, когда направление скорости перпендикулярно
магнитной индукции? не перпендикулярно?
4 Почему сила Лоренца не меняет модуля скорости заряженной
частицы?
5. Напишите формулу радиуса движения заряженной'частицы Э
однородном магнитном поле.
6. По какой формуле определяется период обращения заряженной
146
Блок 12
частицы по окружности в однородном магнитном поле?
7 Приведите примеры практического использования силы Лоренца.
Модуль 92. ВЕЩЕСТВО В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
ЬЧто называют магнитной проницаемостью среды? Какая формула
выражает смысл этого понятия? Что характеризует магнитная
проницаемость вещества?
2. В чем сущность гипотезы Ампера?
3. Какие тела называют диамагнетиками? парамагнетиками? феп-
ромагнетиками?
4 Какими основными свойствами обладают ферромагнетики?
5. Приведите примеры практического использования ферромагне-
тиков в технике.
6. Как осуществляется запись и воспроизведение звука на магнитной
ленте магнитофона?
7 Как осуществляется запись и хранение информации в ЭВМ?
Модуль 93. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
L В чем заключается сущность явления электромагнитной индукции?
2. Поясните рисунками и опишите эксперименты, в которых об-
наруживается явление электромагнитной индукции.
8. Какие условия необходимы для существования явления электро-
магнитной индукции?
Модуль 94. ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
1 Какое поле называют индукционным или вихревым электричес-
ким полем?
2 . Что является источником индукционного электрического поля?
8. Какими отличительными свойствами обладает индукционное
электрическое поле по сравнению с магнитным полем? стацио-
нарным или электростатическим Полем?
4. Что такое токи Фуко? Приведите примеры их использования в
технике. В каких случаях с ними приходится бороться?
б. Как направлено по отношению к направлению тока вихревое
электрическое поле в проводнике при увеличении и уменьшении
силы тока?
Блок 12
147
Модуль 95. ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
ИНДУКЦИИ
1. Что называют ЭДС индукции?
2. Какая формула выражает основной закон электромагнитной
индукции?
3. Какова природа ЭДС индукции, возникающей в неподвижном кон-*
туре при изменении магнитного поля, в котором находится этот
контур?
4. Сделав рисунки, объясните, как определяется направление ин-
дукционного тока в неподвижном контуре в зависимости от
характера изменения магнитного потока. Как формулируют
правило Ленца?
5. Напишите формулу, по которой определяется значение ЭДС ин*
дукции в прямолинейном проводнике, движущемся с
пересечением линий индукции однородного магнитного поля,
6. Объясните, как определяется направление индукционного тока
в прямолинейном проводнике, движущемся в однородном маг-
нитном поле Как формулируется правило правой руки?
Модуль 96. САМОИНДУКЦИЯ
1. Что называют явлением самоиндукции?
2. Нарисуйте схемы опытов и объясните явление самоиндукции при
замыкании и размыкании цепи Начертите графики зависимо-
сти тока в цепи от времени в этих опытах.
3 Напишите формулу, по которой определяется ЭДС самоиндукции
Модуль 97. ЖПУКТИВНОСТЪ
1. Что называется индуктивностью проводника? Каков физиче-
ский смысл индуктивности?
2. Напишите формулу ЭДС самоиндукции с учетом индуктивности
из нее получите формулу индуктивности проводника.
3. Выведите единицу индуктивности в СИ и сформулйруйте
определение этой единицы.
Модуль 93. ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ
1. Почему для создания тока в проводнике должна быть совершена
работа7 За счет какой энергии она совершается?
2. Напишите формулу энергии магнитного поля проводника с током.
148
ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ раздела "ЭЛЕКТРОДИНА-
МИКА"
ЭЛЕКТРОСТАТИКА
1. Закон сохранения электрического заряда.
Закон Кулона
?1 + <72 + <?з + - + q« = q — электрический заряд К л F — модуль силы электростати-
= const „ , Id • Id ческого взаимодействия И г — расстояние между зарядами м -12 Кд2 Ъ = 8,85 • 10 1г - - Нм2
«t. Клг электрическая постоянная £ — диэлектрическая прони- Кл2 цаемость среды - Н м к — коэффициент пропорцио- Hms нальности •—- Кл2
2. Напряженность электрического поля
Е — £?] + ^2
Е — напряженность электричес-
Н
кого поля
Кл
q — пробный заряд К л
qQ — заряд, создающий электри-
ческое поле Кл
г — расстояние от заряда до дан-
ной точки поля М
3. Потенциал и напряжение
©J ^3 1 bq II II II 9. 9* (£>— потенциал электрического поляВ — потенциальная энергия элек- трического заряда в данной точке поля Дж q — электрический заряд Кл U — напряжение В А — работа сил электрического поля Дж
149
J , а — расстояние, на которое неремес*
1 и =E/\d тился заряд м Ad — расстояние между точками электрического поля м Е — напряженность электрического поля — Кл
4. Работа при перемещении заряда
А = qEkd j , А - - работа сил электрического поля Дж Е — напряженность электрического поля — Кл zXcZ — расстояние между точками электрического поля м ' q — электрический заряд Кл
о. Электроемкость. Энергия заряженного конденсатора
С — электроемкость проводника или конденсатора Ф
q — электрический заряд конденсатора К" U — напряжение между обкладками конденсатора В
qU £ - площадь одной из пластин плос- кого конденсатора м‘
” 2С d — расстояние между пластинами м Wp - - энергия заряженного конденса-
си1 A'v=-^' тора Дж t — диэлектрическая проницаемость изолятора конденсатора — Кл2 Ео - - электрическая постоянная - Нм2
150
ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
6. Электрический ток
1 — сила тока Л
1 At Дд — количество заряда А
I =qonvS At — интервал времени с
3 S q0 — заряд электрона (иона) Кл -3
J •= qonv п — концентрация зарядов м
V— средняя скорость носителей м
зарядов с
S — площадь поперечного сечения
проводника м
j — плотность тока А
о
М
1. Закон Ома для участка цепи и для полной цепи
/=д 1 — сила тока А
R U — напряжение на концах участка В
. £
R + г R — сопротивление участка Ом
Е — электродвижущая сила
источника В
R — сопротивление внешнеj Ом
участка цепи
г — сопротивление источтшка тока Ом
8. Работа и мощность постоянного тока
A = lU&t А = I2RAt A — работа электрического тока Дж / — сила тока А
A=iJ~M R Р =1U; P=l2R " U — напряжение В R — сопротивление проводника Ом t — время с
II *1^ Р — мощность электрического тока Вт
151
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ
9.Закон электролиза
Ш — масса выделившегося вещества кг
М — молярная масса кг
m =-~ —lAt моль
cNa п МАЛ е = 1,6 • 10 19Кл — заряд электрона Na = 6,02 * Ю23—-—— число Авогадро моль п — валентность I — сила тока А At — время с 1ИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА
10. Индукция магниа В_Л£ B~IS Л1ОГО поля А/ — магнитный момент рамки I — сила тока 5 — площадь рамки В — магнитная индукция Ям А м* Тл
11. Магнитный поток
£ — ББХовСХ
12. Сила Ампера
F - вхЫпа
Ф — поток магнитной индукции Вт
В —- магнитная индукция Тл
S — площадь контура м
(X — угол между вектором индукции
и нормалью к поверхности град
F — сила, действующая на проводник
с током со стороны магнитного поля Н
I — сила тока в проводнике А
I — активная длина проводника м
а— угол между направлением тока
и вектором магнитной индукции град
152
13. Сила Лоренца
F — сила, действующая на заряжен- ную частицу, движущуюся в маг-
F = |^0|vBsinCt нитном поле л
q0 — заряд частицы Кл
м
v — скорость частицы с
а — угол между направлениями
скорости движения заряда и
вектором магнитной индук-
ции град
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
14. Закон электромагнитной индукции
8г — ЭДС индукции контура В
Дф
ДФ— изменение магнитного потока Вт
8г — Blvsind At — промежуток времени с
ft — ЭДС индукции, возникающая в
прямолинейном проводнике В
В — магнитная индукция Тл
1 — активная длина проводника м
м
v — скорость движения проводника — с
СС — угол между направлениями век-
тора магнитной индукции и
скоростью движения провод-
ника град
15. ЭДС самоиндукции
Дф 8щ — ЭДС САМОИНДУКЦИИ В
/АС L — индуктивность контура Гн
Д/ А/ — изменение силы тока А
£l3~~L^ At — время с
16. Энергия магнитного поля тока
LI2 Ж — энергия магнитного поля тока Дж
I — сила тока А
Гн
L — индуктивность
РАЗДЕЛ!
КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
В данном разделе курса физики изучаются механические,
электромагнитные колебания и волны и устанавливаются их
общие законы, обладающие универсальностью и всеобщностью,,
присущие колебательным и волновым процессам различной фи-,
зической природы. Колебательные и волновые движения — од-
ни из самых распространенных движений в природе. Сегодня
нет такой области техники, где бы не применялись или не учи-
тывались колебательные и волновые процессы. Механические
колебания используются в различных технологических
процессах и машинах. Электромагнитные колебания — основа
действия важнейших электро- и радиотехнических устройств.
СОДЕРЖАНИЕ 4-го РАЗДЕЛА
Блок 13. Механические колебания и волны.1Ь4
Блок 14. Электромагнитные колебания и волны . . , 162
Основные формулы раздела
"Колебания и волны”.....
178
154
Блок 13
МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
В первой части блока дается общее понятие о повторяющихся
движениях и рассматриваются наиболее простые — гармоничес-
кие колебания и их основные характеристики: амплитуда, период,
частота, фаза, смещение, а также изучается превращение энергии
при гармонических колебаниях.
Во второй части блока описаны природа и образование механи-
ческих волн, основные величины, характеризующие волну —дли-
на и частота волны, скорость ее распространения, а также
изучается природа звука.
Содержание 13 - го блока
99. Гармонические колебания.....................155
100. Динамика колебательного движения...........156
101. Превращение энергии при гармонических
колебаниях..................................... 157
102. Механические волны........................ 158
103. Звуковые волны.............................159
Вопросы для самоконтроля по блоку
Блок 13
155
99. ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
Любые периодически повторяющиеся движения называются^
.колебаниями. ;
/колебания, возникающие'
в системе под действием
внутренних сил, называ-
ется свободными
колебания, совершаемые
,телами под действием
внешних периодически из-
меняющихся сил, называ-
ется вынужденными
Условия возникновения свободных колебаний
а) при выведении тела из положения равновесия в систе-
ме должна возникнуть сила, стремящаяся вернуть его в
положение равновесия;
б) силы трения в системе должны быть достаточно малы»
Периодические изменения физической величины в завися*
мости от времени, происходящие по закону синуса или косину-»
са, называются гармоническими колебаниями
х = xmsm(a)ot + (ро)
Уравнение
гармонического
колебания.
т
Основные характеристики колебательного движения:
а) Хт — модуль максимального смещения точки от положения
равновесия называется амплитудой,
б) Т — время одного полного колебания называется периодом!
t
где п — число полных колебаний;
в) число колебаний в единицу времени называется частотой!
2л
— линейная частота
колебаний,
п
V~1
[v] =Гц (герц)
— циклическая или
круговая частота,
f/>i рад
[ад] =~
связь между (Щ и V определяется: ШО=27ГР ;
v)<p=a)ot ~^(ро — (база колебаний, которая определяет состояние
колебательной системы в любой момент времени и определяется
в радианах, в градусах,
<Ро — начальная Фаза в момент времени t = 0;
д) х — смешение точки от положения равновесия в данный мо
мент времени.
Т
156
Влок 13
100. ДИНАМИКА КОЛЕБАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ
1. Математический маятник.
Материальная точка, подвешен-
ная на невесомой нерастяжимой
нити, называется математиче-
ским маятником^
F ~ ~ mgsinCC— внутренняя сила
системы,
F = ат — по И закону Ньютона,
s
ат = — mgsinez; a = —gsin<x, так как since~а = у.
L
i движения маятника (а^ $).
<ная частота маятника.
— период колебаний математического
маятника (формула Гюйгенса).
2. Пружинный маятник.
— собс
2тГ
г =—♦
1 d)of
Тело, подвешенное на пружине v
совершающее колебания вдоль
вертикальной оси под действием
силы упругости пружины, назы-
вается пружинным маятником
Fynp ~ ~~kx — возвращающая сила
системы,
F = ат — по И закону Ньютона
Тс
—х
ат = -кх;
— уравнение движения пружинного
маятника.
— собственная частота маятника.
•9
а = — - $
2Я
аГо'’
— период колебаний маятника
В положении равновесия mg = кх;
— период колебаний.
к = —
х
Блэк 13
157
101. ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ
ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЯХ
1 При гармонических колебаниях периодически происхо
дит переход потенциальной энергии в кинетическую и
обратно
X
О
Превращение
энергии при движе-
нии маятника снизу
вверх
Г» « max , ё* * 0
2
mv
Ек ~~Т~
кх2
ЕР
— кинетическая
энергия тела,
— потенциальная
энергия упруго
сжатого тела.
- /яах
к~ жесткость пружины,
* £* - у/
_ смешение груза,
Е — Ек -bKjTI —полная
-----------1 механическая
энергия системы
Полная механическая энергия:
mVm kxm
Е — Е kvi Ерш — ~ ~
с* Z»
— в положении равновесия и
в крайних точках,
W Ьс2
Е=ЕК+ЕР= — + —
в промежуточных точках.
Колебания, энергия которых
уменьшается с течением времени за
счет действия сил сопротивления,
называются затухающими.
3 Резкое возрастание ампли-
туд и вынужденных колеба-
ний при совпадении частоты
изменения внешней силы, дей-
ствующей на систему, с час-
тотой свободных колебаний
называется резонансом
Условие резонанса:О)о ~С0ви = (Орез =>хт — увеличивается
Явление резонанса учитывается при периодически изменяющих-
ся нагрузках в машинах и различного вида сооружениях Исполь-
зуется в акустике, радиотехнике и т д
158
Блок 13
102. МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ
Механической волной называется процесс распространения
колебаний в упругой среде, который сопровождается переда-
чей энергии колеблющегося тела от одной точки упругой
среды к другой.
Виды волн:
1. Волна называется поперечной, если частицы среды колеб-
лются в направлениях, перпендикулярных к направле-
нию распространения волн.
направление колебаний
направление
распространения
волны
(волна на воде, волна вдоль шнура)
2 Волна называется продольной, если колебания частиц
среды происходят в направлении распространения вол-
ны
—ВДШИ
направление
колебаний
направление
распространения
волны
(звуковые волны, колебания поршня в трубке, заполненной газом
или жидкостью, вызывают продольную упругую волну)
Длина волны Скорость волны.
I Л = гТ | — длина
1------’ волны,
V = Лр I— скорость
-------1 волны.
Расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеб-
лющимися в одинаковых фазах, называется длиной волны (Z).
Скорость волны равна произведению длины волны на частоту
колебаний.
Линия, перпендикулярная волновой поверхности,
называется лучом.
Луч указывает направление распространения вол-
ны.
Блок 13
159
103. ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ
Раздел физики, занимающийся изучением звуковых явле-
ний, называется акустикой.
Колебания среды, воспринимаемые органом слуха, I
называются звуком I
ИМ |Н1 ‘мп Ни v |
//// II// //// _J
Звуковая волна - упругая продольная волна, представля-
ющая собой зоны сжатия и разряжения упругой среды (воз<
духа), передающаяся на расстояние с течением времени.
Звуковые волны делятся_________________________________
/20 Гц - 20 000ГцТ
инфразвук*; слышимый звук ультразвук
— 17мм '
Скорость звука зависит от упругих свойств среды и от тем-
пературы, например.
в воздухе v — 331—(при t = 0°С) и v = 331,7—(при t = 1°С);
м м
в воде v = 1400—; в стали v — 5000—.
с с
Музыкальный звук Шум
Звук, издаваемый гармонически колеблющимся телом,
называется музыкальным тоном.
Каждому музыкальному тону (до, ре, ми, фа, соль, ля, си) соответ-
ствует определенная длина и частота звуковой волны.
Шум - хаотическая смесь тонов
Характеристики звуковых волн
1. Громкость звука определя-
ется амплитудой колебаний
в звуковой волне.
2 Высота звука определяется час-
тотой звуковых колебаний. Чем
больше частота, тем выше звук.
160
Блок 13
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
^МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ?
Модуль 99. ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
1. Кйкоо движение называют колебательными? Что называют ко-
лебанием тела?
2. Какие колебания называют свободными? Приведите примеры
свободных колебаний,
3. Какие колебания называют вынужденными7 Приведите примеры
вынужденных колебаний,
4. Нарисуйте схему и объясните опыт, устанавливающий связь
между вращательным и колебательным движениями.
5, Какие колебания называют гармоническими? Какое уравнение
выражает смысл гармонического колебания?
6.Что называют амплитудой колебания?
7,Что называют периодом колебаний? Какая формула выражает
смысл этого понятия? Какова единица периода колебаний?
З.Что называют частотой колебаний? Напишите формулы линей-
ной и циклической частоты колебаний. Назовите единицы их
измерения.
5. Напишите формулу, устанавливающую связь между цикличес-
кой и линейной частотой,
Ю.Что называют фазой гармонического колебания?Что понимают
подначальной фазой?
11 ,Что называют смещением колеблющегося тела?
Модуль 100. ДИНАМИКА КОЛЕБАТЕЛЬНОГО
ДВИЖЕНИЯ
1. Что такое маятник? Какой маятник называют математическим?
2. Сделав рисунок, иллюстрирующий процесс свободных колебав
ний математического маятника, объясните этот процесс.
3. Докажите, что свободные колебания математического маятни-
ка являются гармоническими колебаниями.
4. Запишите уравнение свободных колебаний математического ма-
ятника.
5. Напишите формулу собственной циклической частоты матема-
тического маятника.
6. Получите формулу для определения периода свободных колеба-
ний математического маятника.
7. Какой маятник называют пружинным маятником7
3. Сделав рисунок, иллюстрирующий процесс свободных колеба-
ний пружинного маятника, объясните этот процесс.
9. Выведите уравнение движения пружинного маятника,
10. По какой формуле определяют собственную циклическую час*
тоту пружинного маятника?
Блок 13
1L Получите формулу периода свободных колебаний пружинного
маятника.
Модуль 101. ПРЕВРАЩЕНИЕЭНЕРГИИ ПРИ
ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЯХ
L Опишите процесс превращения энергии при гармоническом ко-
лебательном движении на примере пружинного маятника.
Я По каким формулам определяют полную механическую энергию
гармонически колеблющегося тела в момент его прохождения
точки равновесия и крайних точек движения?
3. По какой формуле определяют полную механическую энергию
гармонически колеблющегося тела в момент прохождения меж-
ду точкой положения равновесия и крайней точкой движения?
4. Почему свободные колебания маятника затухают? При каки#
условиях колебания могут стать незатухающими?
3. Начертите график затухающего колебания.
6. Что называют механическим резонансом? Каково условие резо-
нанса?
7. Начертите резонансные кривые для двух тел, колеблющихся б
различным трением.
8. Приведите примеры вредного и полезного проявлений механичес*
кого резонанса.
Модуль 102. МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ
ХЧто называется волной?
2. Какие волны называют поперечными? продольными? В чем состо<
итразличие между ними? Приведите примеры поперечных и про-»
дольных волн.
8. Что называют периодом волны? частотой? длиной волны?
4. Что принимают за скорость распространения волны?
& Напишите формулу, связывающую скорость распространения:
волны с длиной волны и частотой или периодом.
в. Как понять, что колебания происходят в одинаковы# фаза#,!
противофазах, со сдвигом фаз? Поясните эти понятия чертежом*
7. Какую волну называют плоской? сферической?
8.Что называют лучом? Что указывает луч?
Модуль 103. ЗВУКОВЫЕ ВОЛНЫ
1Что представляют собой звуковые волны?
2.Что является источником звука?
8. Какова частота и длина звуковой волны, воспринимаемая чело-
векомТЕаю называютсяеакие звуковые колебания?
162
Блок 14
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
В данном блоке рассматриваются свободные электромагнитные
колебания в колебательном контуре и его основные харак-
теристики. Впервые встречаемся с изучением переменного тока и
с его поведением на резисторе, катушке и конденсаторе.
На основе электромагнитных колебаний представлены вопросы
передачи и использования электрической энергии, устройство и
принцип действия трансформатора.
В блоке систематизируются основные сведения о взаимосвязи'
магнитных и электрических полей, дается понятие электромаг-
нитного поля и электромагнитной волны, раскрываются их свой-
ства и принципы современной радиосвязи, телевидения и
радиолокации.
Содержание 14 - го блока
104. Электрические колебания...................163
105. Переменный электрический ток..............164
106. Цепь переменного тока.....................165
107. Резонанс в электрической цепи........... 166
108. Автоколебания. Генератор на транзисторе .... —
109. Трансформатор............................ 167
110. Производство, использование и передача
электрической энергии.......................... 168
111. Электромагнитное поле.....................169
112. Электромагнитная волна................... —
113. Излучение электромагнитных волн............ . 170
114. Принципы радиосвязи.......................171
115. Распространение волн, радиолокация........172
Вопросы для самоконтроля по блоку
’’Электромагнитные колебания и волны**.....173
Блок 14
163
104. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
Периодические или почти периодичес-
кие изменения заряда, силы тока и на-
пряжения называются электрическими
Колебательный контур
Электрическая цепь, состоящая из кон-
денсатора и катушки, в которой могут
происходить свободные электрические
колебания, называется колебательным
контр тм.
энергия
электрического
энергия
магнитного
поля конденсатора,
поля катушки.
q = QmCOS (Dot
Гармонические колебания заряда, тока и напряженияв контуре'
описываются уравнениями*
г = ImCOS^t и == l/wcos (Jpjt
Частота и период колебании в контуре
На основании аналогии между механическими и
электрическими колебаниями, где m~*L;k—,
с
имеем:--------
1
формула Томсона
164
Блок 14
105. ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
Устройство, преобразующее механическую энергию в
электрическую, называется генератором.
Ток, периодически меняющийся по величине и направлению,
называется переменным током
Гармонические изменения основных физических величин
в генераторе
Ф = BSco&(i)t | —
| в [ —
U —UmCOSCDt —
г = Imcos(a)t 4-со) —
формула изменения потока магнитной
индукции,
формула изменения ЭДС индукции,
формула изменения напряжения,
формула изменения силы тока.
частота тока.
График переменного тока
График постоянного тока
Блок 14
165
106. ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
1. Действующие значения силы тока и напряжения:
i — мгновенное значение силы тока — сила тока в данный
момент времени,
2. Активное сопротивление в цепи переменного тока.
U — UmCOSCDt
г —lmcos(Dt
т R ’
амплитудное и действующе-
езначение силы тока на R.
и
изменения
напряжения и силы
тока на R,
В проводнике с активным сопротив-
лением колебания силы тока совпа-
дают по фазе с колебаниями
напряжения.
8 Емкость в цепи переменного тока.
и ~UmWS(Dt
i =ImCQS[(Dt 4-—)
1 1
х == — ~~----------
° (DC 2J1VC
изменения напряжения емкостное сопротивление,
и силы тока на С
‘т — Л'С 1=± Хс
— амплитудное и действую
щее значение силы тока на С.
Колебания силы тока на конденса-
торе оцережают колебания напряже-
ния на g.
4 Индуктивность в цепи переменного тока.
U^UmCQSCDt
i —lmcos((Dt
изменения напряже-
ния и силы тока на L.
Xi = (DL — 2JWL
индуктивное
сопротивление.
1
J
Колебания силы то-
ка на катушке от-
стают от колебаний
Л
напряжения на
^Um
Блок 14.
166
к.....
107. РЕЗОНАНС В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
Главное условие резонанса - совпадение
частоты внешнего переменного напря-
жения с собственной частотой колеба-
тельного контура.
Использова-
ние резонанса
в радиосвязи
Резонансом в электрическом колебательном контуре называ-
ется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных
колебаний при совпадении частоты внешнего переменного
напряжения с собственной частотой колебательного контура.
108. АВТОКОЛЕБАНИЯ. ГЕНЕРАТОР НА ТРАНЗИСТОРЕ
Системы, в которых генерируются незатухающие колебания
за счет поступления энергии от источника внутри системы,
называются автоколебательными.
Любая автоколебательная система состоит
обратная связь
эмиттер коллектор
| Транзистор
л
Генератор
незатухающих
колебаний
Колебания, существующие в системе без воздействия на нее
днешних периодических сил, называются ^втокрл^р^ниями.
Блок 14
167
109. ТРАНСФОРМАТОР
Трансформатором называемся статический электромагнит-,
ный аппарат, преобразующий переменный ток одного
напряжения в переменный ток той же частоты, но другого
напряжения.
3 I С — условное обозначение трансформатора.
__5|£___ ПЛ Яблочков (1878)
1 Холостой ход трансформатора
nt
Условия режима - холостой ход.
1. Электропитание первичной обмотки
2. Разомкнута вторичная цепь, RK = оо
1 h — Io ~~ ток холостого хода (самый малый, так как ЭДС само^
индукции Е\ согласно закону Ленца направлена против
приложенного напряжения Ui, а благодаря большой индуктивно-
сти катушки Ei ~ t/i, то есть Ui~Ei ~*0, а значит Io ~*min ).
2 . ^2=^2 С ih ~Ё1 пГ1
/2—0 /с = — - коэффициент
U2 Е2 П2 трансформации.
2, Рабочий режим трансформатора.
г, -----------------------
Условия рабочего режима:
1 Электропитание первичной обмотки U\
2 . Нагрузка на вторичной обмотке Ян.
Следствия:
1 Рост /1 - до рабочего значения, напряжение Ui.
2 . Рабочий ток во вторичной обмотке 12, напряжение t/ s
Р1^Р2
(/ill ~U2l2
17=^ • 100% I-КПД
V2 h Pi трансформатора.
3 , Режим короткого замыкания трансформатора.
Условия режима - короткое замыкание!
1 Электропитание первичной обмотки Ui.
2. Замыкание выводов вторичной обмотки
без нагрузки, т.е. RK = 0.
Следствия:
1 /2 “Мпах.
2 Электрическая и тепловая перегрузки системы.
168
Блок 14
110. ПРОИЗВОДСТВО, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ И ПЕРЕДАЧА
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
1 Производство электроэнергии.
КПД электростанций 40% ТЭЦ 70% 95% 20%.
% от всей вырабатываемой электроэнергии 40% 20% 10% ,
Превращение энергии:
На ТЭС Um^Un^/%Kn*~*/!jKrn-*W$n
на ГЭС Е?в-+Ек< ~*Ект
2. Использоватгие электроэнергии.
Сферы хозяйства
Промышленность
Транспорт
Сельское хозяйство
’ ггг»
Количество
используемой
электроэнергии,%
15
10
4
Удвоение
потребления
электроэнергии
происходит
за 10 лет
3. Передача и распределение электроэнергии.
Схема потерь
электроэнергии
на пути от
электростанции
к потребителю.
1% потерь электроэнергии в сутки — 0,5 млн. руб. убытка.
Для уменьшения тепловых потерь в линиях
электропередачи (ЛЭП) можно увеличить сечение
проводников S, что экономически невыгодно, либо умень*
шить силу тока L Чтобы передаваемая мощность р =11/
осталась неизменной при уменъгиении силы тока, необ-
ходимо увеличить напряжение U в ЛЭП (U-бООкВ; 750 кВ;
I I '
Q = IzR&t, где R -р- => Q =12/£Д« |
8 о I
Схема передачи и распределения электроэнергии
I s.
1 — генератор переменного тока,
2 — повышающий трансформатор,
3 — лэп,
4,5,6 — понижающие
трансформаторы,
7 — потребитель.
?
У/гЛ 220 &
Блок 14
169
111. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Переменное магнитное Переменное электрическое
поле порождает вихревое поле возбуждает переменное
электрическое поле. магнитное поле.
Переменные электрические и магнитные поля не могут существо-
вать раздельно друг от друга, так как в пространстве, где сущест-
вует переменное магнитное поле, возбуждается переменное
электрическое поле, и наоборот.
Электромагнитное поле — один из видов материи,
характеризуемый наличием электрического и магнитного
полей, связанных непрерывным взаимным превращением.
112. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА
Электромагнитное поле распространяется в
пространстве в виде электромагнитных волн.
График
электромагнитной
волны
Волны излучаются колеблющимися зарядами, которые при ЭТОМ
движутся в проводнике с ускорением.
При движении заряда в проводнике создается переменное
электрическое поле, которое порождает переменное магнитное по-
ле, а последнее, в свою очередь , вызывает появление переменного
электрического п^ля уже на большем расстоянии от заряда и так
далее.
Электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве
в течением времени, называется электромагнитной волной.
Электгюмагнитная волна обладает следующими свой-
ствами:
распространяется прямолинейно, способна преломляться,,
отражаться, ей присущи явления дифракции, интерференции, по-1
ляризации.
170
Блок 14
113. ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
1. Источниками электромагнитных волн являются ус-
коренно движущиеся частицы или изменяющиеся во
времени электрические токи.______________________
[Колеблющийся заряд — источник электромагнитных волн. ]
Для образования интенсивных электромагнитных волн необхо-
димо создать электромагнитные колебания высокой частоты,
так как средняя мощность излучения прямо пропорциональна
четвертой степени частоты колебаний заряда.! р ~
2. Закрытый колебательный контур. 1
Показан переход от
замкнутого колеба-
тельного контура (а) к
открытой системе (в).
8. Излучателем электромагнитных волн является вся-
кий проводник, по которому проходят переменные токи,
4. Вибратор Герца.
Проводники, излучающие (или
принимающие) электромагнитные
волны, называются антеннами.
Впервые электромагнитные волны
были обнаружены немецким физиком
Генрихом Герцем в 1887 году. ин же ис-
следовал их свойства.
чм
;=3 -108-
С
— скорость
волны.
1 — излучающий вибратор, 2 — индукционная катушка, 3 —
искровой промежуток, 4 — принимающий вибратор, 5 —
разрядная трубка.
5. Изобретение радио АС Поповым (7 мая 1895 г.),
Передатчик
1—антенна,
2 — искровой промежуток,
3 — индукционная катушка,
4 — источник питания.
Приемник
1 — антенна,
2 — когерер,
3 — реле,
4 — звонок,
5 — источник
питания.
Блок 14
171
114. ПРИНЦИПЫ РАДИОСВЯЗИ
Радиосвязью называется передача информации с по-
мощью радиоволн.
1. Блок-схема радиопередатчика.
2. Блок-схема радиоприемника.
’--------J детектор
громко-
говоритель
3 Модуляция
Процесс изменения амплитуды высокочастотного несущего
сигнала с частотой изменения ьшзкочастотного звукового сиг-
нала называется амплитудной модуляцией.
График колебаний высокой частоты
(распространяется в среде, но не несет
информации)
График колебаний звуковой частоты
(несет информацию, но не распростра-
няется в среде).
График амплитудно-модулированных
колебаний (несет информацию и рас-
пространяется в среде).
4 Детектирование.
L
мШЬДИяий nil
А А л
Процесс выделения низкочастотною звукового сигнала из
амплитудно-модулированного высокочастотного сигнала на-
зывается детектированием.
5 Детекторный приемник
1 — антенна,
2 — колебательный шнур,
3 — детектор,
4 — телефон.
Yl^
Блок 14
115. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН. РАДИОЛОКАЦИЯ
На распространение ра-
диоволн влияют форма и
физические свойства зем-
ной поверхности и состоя-
ние атмосферы.
КЛАССИФИКАЦИЯ РАДИОВОЛН
Наименование волн Диапазон частот, Гц Диапазон длин волн, м
Сверхдлинные < 3 • 104 свыше 10 000
Длинные 3 • 101 - 3 • 10® 10 000-1000
Средние 3 • 105 - 3 • 10® 1000-100
Короткие 3 • 10е - 8 • 107 100-10
Метровые 8 • 107 — 8 • 10’ 10-1
Дециметровые 3 • 108 — 8 • 109 1-0,1
Сантиметровые 3 • 109 - 8 • 101в 0,1-0,01
Миллиметровые 8 • 1010 - 3 • 10” 0,01-0,001
Длинные, средние, короткие волны используются в телеграфии,
радиовещании, телевидении, радиолокации и так далее.
Метровые и дециметровые волны используются для исследования
свойств вещества.
Сантиметровые и миллиметровые волны получают в маг-
нетронных, клистронных генераторах и мазерах. Применяются в
радиолокации, радиоспектроскопии и радиоастрономии.
РАДИОЛОКАЦИЯ
Радиолокацией называется обнаружение и определение ме-
стонахождения объектов с помощью радиоволн
(v= 108 - 1011Гу; Л £ ОДл)..
Радиолокатор (радар) - это комбинация
ультракоротковолнового радиопередатчика и
приемника, имеющих общую привмно-передающмю антен-
ну, создающую остронаправленный радиолуч. Излучение
осуществляется короткими импульсами ( « At = 10 ~$с).
cAt Расстояние (JR) до цели, ее местонахождение,
R о:—у- определяется по промежутку времени At между
z отправлением и приемом сигнала.
Блок 14
173
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
Модуль 104. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ
1.Что называют электрическими колебаниями?
2.Что такое колебательный контур?
3. Какие электрические колебания называют свободными, а ка-
кие вынужденными?
4. Нарисуйте схему колебательного контура и объясните все ста-
дии процесса превращения энергии при свободных электричес-
ких колебаниях в течение одного периода колебания.
5. Какова аналогия между электрическими и механическими ко-
лебаниями?
S. Напишите уравнения гармонического колебание заряда, тока и
напряжения в колебательном контуре.
7. Одинаковы ли по фазе колебания заряда и силы тока в колеба-
тельном контуре?
8. По какой формуле определяется собственная циклическая час-
тота свободных электрических колебаний?
9. Напишите формулу, определяющую период свободных электри-
ческих колебаний в колебательном контуре (формулуТомсона).
10. Какие колебания называют электромагнитными?
Модуль 105. ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК
1.Ч то называют генератором переменного тока? Какие типы та-
ких генераторов существуют?
2. При каких условиях в электрической цепи возникают вынуж-
денные электрические колебания?
3. Сделав пояснительный рисунок, объясните процесс возникнове-
ния индукционного тока во вращающейся рамке, находящейся
в магнитном поле.
4. Что называют переменным током?
5.Ч то такое период, частота, фаза переменного тока?
S.Н апишите уравнение гармонического изменения потока матнит*
ной индукции, ЭЦС индукции, напряжения и силы тока в ге-
нераторе.
7. Начертите график переменного тока и раскройте суть опреде-
ления переменного тока.
8. По какой формуле можно определить число пар полюсов ге-
нератора?
9. На каком принципе основана работа генератора переменного
тока?
174
Блок 14
Модуль 106. ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
1. Что называют действующим значением переменного тока7
2. Какие значения силы переменного тока называют мгновенными?
амплитудными?
3. Какие формулы выражают связь действующих значений ЭДС,
напряжения и силы переменного тока с их амплитудными зна-
чениями?
4. Какие виды сопротивлений различают в цепи переменного тока?
5. Напишите уравнения изменения мгновенного значения напряже-
ния и силы тока на активном сопротивлении и начертите их
графики.
6. Как связаны между собой действующие значения силы тока и
напряжения на активном сопротивлении в цепи переменного
тока?
7. Напишите уравнения изменения мгновенного значения напряже-
ния и силы тока на конденсаторе и начертите их графики.
8 По какой формуле определяется емкостное сопротивление?
9. Как связаны между собой действующие значения силы тока и
напряжения на конденсаторе в цепи переменного тока?
10. Напишите уравнения изменения мгновенного значения напря-
жения и силы тока на катушке индуктивности и начертите их
графики.
И. Что называют индуктивным сопротивлением? Какая формула
выражает смысл этого понятия?
12. Какой сдвиг фаз между током и напряжением существует в
цепи переменного тока, содержащей только катушку индук-
тивности? только конденсатор?
Модуль 107. РЕЗОНАНС В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕНЯ
1. При каком условии возникает электрический резонанс?
2. Сформулируйте определение резонанса в электрической цепи?
3. Начертите график, иллюстрирующий явление резонанса в двух
контурах с различным активным сопротивлением. В каком слу-
чае наилюдается более острый резонанс?
4. Чему равна разность фаз между колебаниями силы тока и
напряжения при резонансе?
5. Какие виды электрического г>е?оканса существуют?
Модуль 108. АВТОКОЛЕБАНИЯ. ГЕНЕРАТОР
НА ТРАНЗИСТОРЕ
1. Что такое автоколебательная,система?
2 Перечислите основные элементы автоколебательной системы
Блок 14
12L
3. В чем состоит отличие автоколебаний от вынужденных колеба*
ний и свободных?
4. Приведите примеры автоколебательных систем.
б. Начертите схему простейшего генератора незатухающих коле-
бании на транзисторе, объясните его устройство и принцип
действия.
б. Опишите свойства р—п - перехода в полупроводниках и вспом-
ните как устроен транзистор.
7» Какую роль выполняют в генераторе транзистор и катушка
обратной связи?
Модуль 109. ТРАНСФОРМАТОР
L Что называют трансформатором1 * * 4 5 б 7 На каком явлении основан
принцип его действия?
2. Опишите устройство трансформатора. Начертите схему его
включения в цепь.
3. Опишите процесс работы трансформатора в режиме холостого
хода.
4; Что называют коэффициентом трансформации? Напишите
формулу, выражающую смысл этого понятия
5 Опишите процесс работы трансформатора в рабочем режиме, то
есть под нагрузкой.
6. Какая формула выражает связь сил токов в обмотках транс-
форматора от приложенных к ним напряжений?
7. Что называют КПД трансформатора?
8. Опишите процесс работы трансформатора в режиме короткого
замыкания.
9. Что будет с трансформатором, если его включить в цепь постоян-
ного тока?
Модуль 110. ПРОИЗВОДСТВО, ИСПОЛЬЗОВАНИЕ
И ПЕРЕДАЧА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.
1 Какие типы электростанций знаете?
2. Какими неоспоримыми преимуществами перед другими видами
энергии обладает электрическая энергия?
3. Перечислите, какие превращения энергии происходят при
производстве электроэнергии на ТЭС, ГЭС.
4 Как осуществляется передача электроэнергии на большие
расстояния?
5 Почему чем длиннее линия передачи, тем выгоднее использовать
более высокое напряжение?
б Какими преимуществами обладает переменный ток перед пос-
тоянным?
176
Блок 14
Модуль 111. ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ
1 Что порождает переменное магнитное поле? В чем состоит сущ-
ность данного явления?
2. Как связано направление вектора напряженности вихревого
электрического поля, порожденного переменным магнитным по-
лем, с учетом его изменения? Ответ проиллюстрируйте рисунка-
тли.
З.Что порождает переменное электрическое поле?
4. Как связано направление индукции магнитного поля, порожден-
ного переменным электрическим полем, с характером его изме-
нения? Ответ проиллюстрируйте рисунками.
5. Что называют электромагнитным полем? Могут ли электричес-
кие и магнитные поля существовать обособленно друг от друга?
6. Почему утверждение, что в данной точке пространства сущест-
вует только электрическое или только магнитное поле, не явля-
ется вполне определенным?
Модуль 112. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ВОЛНА
£Что называют электромагнитной волной?
2. Что является источником электромагнитных волн?
3. Как ориентированы векторы В, йТпо отношению друг к другу*
в электромагнитной волне?
4. Проиллюстрируйте рисунками и опишите процесс передачи
электромагнитных воздействий на расстояние.
5. Какова скорость распространения электромагнитных волн Ш
воздухе?
6. Напишите формулу, выражающую связь скорости распростра-
нения волны с длиной волны и частотой.
7, Перечислите основные свойства электромагнитных волн.
Модуль ИЗ. ИЗЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ВОЛН
1Что является источником электромагнитных волн?
2. Как должна двигаться частица, чтобы она излучала электро-
магнитные волны?
3. Как зависит средняя мощность излучения от частоты колебаний
заряда?
4. Начертите схему и объясните принцип действия открытого ко-
лебательного контура.
5. Что является излучателем электромагнитных волн?
6. Как устроен вибратор Герца, каков принцип его работы?
7. Сделав пояснительный рисунок, опишите процесс излучения И.
приема электромапштных волн в опытах Герца»
Блок 14
8. Начертив схемы, объясните устройство и принцип ЦействйА
передатчика и приемника АСЛопова.
2. Каковы устройство и принцип действия когерера? Как С его
помощью регистрируют радиосигналы?
Модуль 114. ПРИНЦИПЫ РАДИОСВЯЗИ
1. Что называют радиосвязью?
2. Начертите блок-схему радиопередатчика и объясните назна-
чение каждого блока. Изобразите графически сущность
процесса, происходящего в каждом блоке.
3. Начертите блок-схему радиоприемника и объясните назначен
яие каждого блока. Изобразите графически сущность про*
цесса, происходящего в каждом блоке.
4. Что называют модуляцией? Какие виды мо дуляции вы знаете^
5. Что такое амплитудная модуляция? Изобразите графически
сущность процесса амплитудной модуляции.
6. Что называют детектированием? Изобразите графически
сущность процесса детектирования.
7. Начертите схему детекторного приемчика; опишите его
устройство и принцип работы.
Модуль 115. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РДДИОВОЛД
РАДИОЛОКАЦИЯ
L Расскажите об особенностях распространения средних хх
длинных радиоволн.
2. Расскажите об особенностях распространения коротких и»
ультракоротких радиоволн. Какую роль в их распростране-
нии играет ионосфера?
3. Что влияет на распространение радиоволн? Какие радиовол-
ны называют поверхностными, а какие пространств энными? I
4. Что называют ретрансляцией радиоволн?
5. Как классифицируются радиоволны — по диапазонам Длине
волн или по диапазонам частот? Какое наименование имеют'
волны каждого диапазона? Расскажите об использовании:
радиоволн каждого диапазона.
6. Что называют радиолокацией? Какие радиоволны (по ДЛИН*
и частоте) используются в радиолокации?
7. Что такое радар и в каком режиме он работает?
8. Напишите формулу, по которой Определяют расстояние да
цели между отправлением и приемом радиосигнала р радио-
локации.
178
ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ раздела "КОЛЕБАНИЯ И
ВОЛНЫ"
МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
1. Уравнение гармонического колебания
« +$)) ш — смещение сст — амплитуда колебаний <р^ах>1+<ро — фаза 9% — начальная фаза (Zb — циклическая частота м м рад рад рад с
t — время с
2. Частота и период колебаний
1 V = — т п '“7 27Г = 2лу V — частота колебаний л — число полных колебаний Т — период колебаний (1) — круговая (циклическая) частота Гц с рад с
3. Период колебаний пружинного и математического маятников
Т =2zrj U1 1 к tn — масса груза к — жесткость пружины кг Н м
Т ~?Л д 1 — длина маятника д — ускорение свободного падения м м ?
4. Длина и скорость волны
Л“ЮГ v Л “ длина волны Т — период колебаний v — скорость распространения волны м 0 м в
V — частота колебаний в источнике гч
179
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ
5. Период и частота электромагнитных колебаний
Формула Томсона, Т -2jp/lc 1 =/=. NLC L — индуктивность Гн С — емкость Ф Т — период колебаний с рад в\) — циклическая частота с
6. Электромагнитные гармонические колебания
генератора
q —qmZQ3U)t q — мгновенное значение заряда Кл
Ф —В Seos СО t qm — амплитудное значение заряда Кл Ф — магнитный поток Вб
е =BSa^ina)t В — магнитная индукция Тл Q
U —Um^OSCDt В — площадь контура м е — мгновенное значение ЭДС
i =ImCOs(O)t +(p) индукции В и — мгновенное значение напряжения В Um ~ амплитудное значение напряжения В г — мгновенное значение силы тока А Im — амплитудное значение силы тока А
7. Действующее значение силы тока и напряжения
7=^ I — действующее значение силы переменного тока А
VZ и=^ Im “ амплитудное значение силы переменного тока А U — действующее значение переменного напряжения В Um — амплитудное значение переменного напряжения В
8. Индуктивное и емкостное сопротивление цепи
переменного тока
ж/, =(!)[, =2т>
_ 1 1
ж ас 2лус
_т
иг пг
7 I1U1
100%
хь — индуктивное сопротивление Ом
Хс — емкостное сопротивление Ом
9. Трансформатор
щ — число витков в первичной
обмотке
П2 “ число витков во вторичной
обмотке
| Л; Ui — ток и напряжение
। в первичной обмотке А;В
1 12; U2 — ток и напряжение
[' во вторичной обмотке А; В
1 к — коэффициент трансформации
| у — КПД трансформатора
10. Распространение радиоволн. Радиолокация
Л = 2
ям
с ~3 • 10 —— скорость
с электромагнитных
волн
t — время прохождения
электромагнитных волн туда
и обратно
РАЗДЕЛ 5
ОПТИКА. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Оптика - раздел физики, в котором изучаются закономерности
световых явлений, природа света и его взаимодействия с вещест-
вом. Данный раздел подразделяется на геометрическую, волновую
и квантовую оптику.
Особую часть оптики составляет теория относительности, ко-
торая имеет и самостоятельное значение.
СОДЕРЖАНИЕ 5 - го РАЗДЕЛА.
Блок 15. Геометрическая оптика................182
Блок 16. Волновая оптика.................... 189
Блок 17. Квантовая оптика.................... 202
Блок 18. Теория относительности...............209
Основные формулы раздела
"Оптика. Теория относительности"......213
182
Блок 15
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
Геометрическая оптика ~ раздел оптики, в котором изучаются
законы распространения в прозрачных средах световой энергии на
основе представлений о световом луче.
Основными законами геометрической оптики являются: закон
прямолинейного распространения света, законы отражения и
преломления света.
Основы геометрической оптики используются в светотехнике,
во многих оптических приборах и устройствах*
Содержание 15 - го блока
116. Отражение света.........................183
117. Преломление света.......................184
118. Линзы...................................185
119. Глаз. Очки. Оптические приборы....... . 186
Вопросы для самоконтроля по блоку
Геометрическая оптика”....................187
Блок 15
183
116. ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА
1. Закон прямолинейного распространения света.
Свет в прозрачной однородной среде распространяемся
прямолинейно
Прямая, указывающая направление распросъ^рачьния
света, называется световым лучом.
2. Законы отражения света:
С
а) луч падающий, луч отраженный и
перпендикуляр к границе раздела
двух сред, восстановленный в точке
падения луча, лежат в одной плоско-
сти;
б) угол отражения равен углу паде-
ния.
3. Виды отражения
а) поверхность, размеры неровностей
которой меньше длины световой волны,
называют зеркальной.
Лучи света, падающие на такую по-
верхность параллельным пучком, после
отражения остаются параллельными,
такое направленное отражение назы-
вают зеркальным'.
б) поверхность, размеры неровностей
которой больше световой волны,
отражает лучи света по всевозможным
направлениям, что называют кассе*
янным, или диффузным отражени-
ем.
4. Изображение в плоском зеркале.
Изображение мнимое,
прямое, равное по размерам
предмету, находится оно ня
таком же расстоянии з$
зеркалом, на каком предмет
расположен перед зеркалом;
184
Блок 15
117. ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА
Изменение направления распространения света при
прохождении через границу раздела двух сред называется
преломлением света.
1.Законы преломления света:
а) луч падающий и луч преломленный лежат в одной пло-
скости с перпендикуляром, проведенным в точке падения
луча к плоскости раздела двух сред;
б) отношение синуса утла падения к синусу утла прелом-
ления есть величина постоянная для двух данных сред,
равная относительному показателю преломления второй
среды относительно первой.
а>/3
sinCT
=п
sinp
smex v\
Sin/? V2
a<fl
sinCt 1
sin/3 п
| sina __ с
| Sin/? 1)2
при падении света из ваку-
ума на границу со средой
2. Полное отражение.
при падении света из
произвольной среды I на
границу со средой П
1
sinCX)
п
(Хо — предельный угол
Наименьший угол, с кото-
рого начинается полное
отражение, называется
При переходе света из оптически более плотной среды в оптиче-
ски менее плотную начиная с некоторого угла падения ta>) вся
световая энергия отражается от границы раздела этих сред в
первоначальную среду, что называется полным отражением.
8. Ход лучей в плоскопараллельной пластине и треугольной
призме.
__ dsin(a —/?)
— смеще
ние луча.
Э=СГ1 +£г-<р
— угол
отклонения
луча.
Блок 15
185
118. ЛИНЗЫ
Прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими по-
верхностями, называется линзой.
L Характерные точки линзы.
т.0 • оптический центр линзы; т.01, т.Ог — центры сферических
поверхностей; tJ? — фокус линзы; прямая O1OO2 — главная
оптическая ось; прямая MON — побочная оптическая ось.
2 Виды линз. Условное обозначение линз.
Рассеивающие линзы:
Собирающие линзы:
а — двояковыпуклые,
б — плоско-вогнутые,
в — вогнуто-выпуклые.
I ,у 4-
о. о о
а — двояковогнутые,
б — плоско-вогнутые,
в — выпукло-вогнутые.
8. Правила построения изображения в линзе.
1.1 1
В,
я
At
4. Основные формулы тонкой линзы.
d—расстояние от предмета до линзы,
f — расстояние от линзы до
изображения,
F — фокусное расстояние линзы,
h — высота предмета,
Н — высота изображения*
d J F — формула тонкой линзы
Знак ” ставится перед выражениями “ и если
_ J F
изображе-ние и фокус мнимые.
— формула линейного увеличения линзы.
__F h
й
РП^ДПтр (диоптрий).
— формула оптической силы линзы.
186
Блок 15
119. ГЛАЗ. ОЧКИ. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
1 . Аккомодация глаза
Способность глаза изменять кривизну поверхностей
хрусталика с изменением расстояния дррассматриваемо-
го предмета называется аккомодаиией, (При приближении
предмета происходит сжатие хрусталика и уменьшается
фокусное расстояние глаза,) Предел аккомодации от
<х> — 10 см.
2 Угол зрения
Угол, образованный лучами, иду-
щими от краев предмета в оптиче-
ский центр глаза, называется углом
зрения
Угол зрения определяет величину
изображения на сетчатке глаза.
do = 25 см — расстояние наилучшего зрения.
Наименьшее расстояние, с которого глаз может без осо-
бого напряжения рассматривать предметы, называется
расстоянием наилучшего зрения
З.ОчКи:
а) дальнозоркость (глаз обладает недостаточной оптической
силой);
б) близорукость (глаз обладает чрезмерной оптической силой).
4. Оптические приборы.
а)лупа
в) фотоаппарат
б) микроскоп
д - длина
тубуса
г) проекционный аппарат
FokFоб
Блок 15
187
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА"
Модуль 116. ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА
1.Ч то называют лучом? Можно ли считать лучом очень узкий пучок
света?
2. Какому закону подчиняется распространение света а од-
нородной прозрачной среде? Какие опыты подтверждают
справедливость данного закона?
З.Ч то называют отражением света?
4. Что называют падающим лучом? углом падения? отраженным
лучом? углом отражения? Ответы поясните рисунками.
5. Сформулируйте законы отражения света.
6. Какое отражение называют зеркальным? диффузным? Ответы
поясните рисунками.
7. Сделав чертеж, объясните, как строится изображение предмета
в плоском зеркале.
В Что называют мнимым изображением1 2 3 4 5 6 7 8
9. На каком расстоянии от зеркала находится мнимое изображе-
ние и каков его размер?
10. Определите, где расположено изображение точечного источника
света в плоском зеркале.
Модуль 117. ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА
1. Что называют преломлением свет а?
2. Сделав чертеж, покажите ход лучей при преломлении света на
границе раздела двух прозрачных сред.
3. Сформулируйте и запишите законы преломления света.
4. Каков физический смысл относительного показателя прелом-
ления? абсолютного показателя преломления?
5. Напишите формулу, выражающую связь относительного пока-
зателя преломления двух граничащих сред с их абсолютными
показателями преломления.
6. Сделайте чертеж и дайте объяснение, в каком случав угол
преломления больше угла падения9 10
7 Сделав чертеж, объясните сущность явления полного внутрен-
него отражения света.
8. Что называют предельным углом полного внутреннего
отражения света? Какая формула отражает смысл этого поня-
тия?
9. Каково практическое применение полного внутреннего
отражения света? Что такое световод?
10. Начертите и объясните ход лучей в треугольной призме и плоско»
параллельной пластине.
18b
Блок 15
Модуль 118. ЛИНЗЫ
1. Что называют линзой? Какую линзу называют выпуклой, а ка-
кую вогнутой? Какие виды линз существуют?
2. Какую линзу называют тонкой? Что такое оптический центр
тонкой линзы? Что называют главной оптической осью линзы?
Побочной оптической осью линзы?
3. Что называют фокусом линзы? В каком случае фокус линзы
действительный, а в каком—мнимый?Что называют фокусным
расстоянием?
4. Начертите и объясните все случаи построения изображений в
собирающей линзе.
5. Начертите и объясните все случаи построения изображений для
рассеивающей линзы.
6. Напишите формулу тонкой собирающей линзы. Какой вид име-
ет эта формула для рассеивающей линзы?
7. Что называют мнимым увеличением линзы? По какой формуле
определяется линейное увеличение линзы?
8. Что называют оптической силой линзы? В каком случае оптиче-
ская сила линзы положительна, а в каком отрицательна9 В
каких единицах измеряется оптическая сила линзы?
Модуль 119. ГЛАЗ. ОЧКИ. ОПТИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ
1. Что называют аккомодацией глаза? Что такое ближайшая точ-
ка аккомодации? дальняя точка аккомодации? Где находятся
эти точки?
2. Что называют углом зрения7 При каком угле зрения между
рассматриваемыми деталями предмета глаз видит эти детали
раздельно7
3. Что называют расстоянием наилучшего зрения? Чему равно это
расстояние для нормального глаза?
4. Какой дефект зрения называют дальнозоркостью? близоруко-
стью? Каким путем исправляют эти дефекты? Ответы объясни-
те с помощью рисунков.
5. Что называют лупой? Для чего она предназначена7 Начертите
ход лучей в лупе. По какой формуле определяется линейное
увеличение лупы?
6. Что называют микроскопом7 Для чего он предназначен? На-
чертите ход лучей в микроскопе. Напишите формулу линейного
увеличения микроскопа.
7. Что такое фотоаппарат? Из каких основных частей он состоит
и каково их назначение? Начертите ход лучей в фотоаппарате,
8. Что такое проекционный аппарат? Какие виды проекционных
аппаратов вы знаете? Для чего предназначен проекционный ап-
парат? Начертите ход лучей в проекционном аппарате,
Блок 16
18
ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
Волновая оптика — это раздел учения о свете, в котором свето-
вые волны рассматриваются как электромагнитные, занимающие
соответствующий диапазон длин волн.*
Основными вопросами блока являются волновые свойства све-
та — интерференция, дифракция, дисперсия света, а также в
ознакомительном плане дается понятие о поперечности световых
волн на примере поляризации.
Содержание 16 - го блока
120. Скорость света........................ 190
121. Интерференция волн....................191
122. Интерференция света.....................—
123. Дифракция волн........................ 192
124. Дифракция света.......................
125. Дисперсия света........................193
126. Поляризация света......................194
127. Излучение и спектры....................195
123. Инфракрасные лучи..................... 196
129. Ультрафиолетовые лучи................... —
130. Рентгеновские лучи......................—
131. Шкала электромагнитных излучений . . . .197
Вопросы для самоконтроля
по блоку "Волновая оптика"..............199
190
Блок 16
120. СКОРОСТЬ СВЕТА
1. Метод Ремера.
Впервые скоростьсвета измерил датский астроном Ремео в 1676
году.
км
с =215 000—
с
Спутник Ио в положении I
находился в тени Юпитера 42
часа 28 минут.
Через 6 месяцев спутник Ио
находился в тени на 22 минуты
дольше.
Опоздание вызвано тем, что
свет тратит 22 минуты на
прохождение расстояния,
равного диаметру земной
орбиты.
2. Лабораторный метод измерения скорости света (Физо, 1849).
2п1соь
С Л~ '
км
с =313000—
с
где п — число оборотов зубчатого колеса,
СЦ> — наименьшая угловая скорость вращения колеса, при ко-
торой свет попадает к наблюдателю.
3. Метод Майкельсона (1929).
СО—угловая
скорость
вращения
с =(299796 ±4)у~
По современным данным, скорость света в вакууме равна
. I 1
с = (299 792 456,2 ± 0,8)^- = с
йм
= 3 -ю8-
с
— скорость света
в вакууме.
_ с
Череда ~
Скорость света в различных средах различна
п — абсолютный показатель преломления среды
Скорость света в веществе всегда меньше, чем в вакууме, на его
абсолютный показатель преломления.
Блок 16
191
121. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН
Сложение двух (или нескольких) волн с одинаковыми
периодами, в результате которого в одних точках простран-
ства происходит увеличение, а в других уменьшение ампли-
туды результирующей волны, называется шггерфсрешшей.
Для образования устойчивой интерференционной картины не-
обходимо, чтобы источники волн были когерентными.
Волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во
времени разность фаз, называются когерентными.
2. Условие min
1 Условие шах
Если в разность хода двух
волн входит целое число
длин волн или четное чис^
ло полуволн, то волны схо-
дятся, совпадая по фазе, и
усиливают друг друга -
Если в разность хода двух
волн входит не целое число
длин волн или нечетное число
полуволн, то волны сходятся,
совпадая в противофазе, и га-
сят друг друга - картина тгп.
условие max.
где к = 0; ± 1; ± 2;.«
A(Z = (2fc + 1)£|
Z |
условие min,
где к = 0; ± 1; ± 2;.м
Ш. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
a
При освещении пленки происходит
интерференция волн 2; 3 (в отражен-
ном свете), так как волны 2 и 3 — ко-
герентны (гг &<ргз — const),
получены путем разделения волны L
Явление интерференции наблюдается в окружающей нас жизни
и применяется в технике — интерферометры, предназначенные для
измерения длины световой волны, определения показателя
преломления газов, для оценки качества обработки поверхностей
металлов и других изделий.
Ad «Ы
192
Блок 16
123. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН
Дифракцией называется явлежа
отклонения волны от прямолинейного
’распространения при прохождении
\ через малые отверстия и огибания шл*
Л/Ту ной малых препятствий.
У/ Размеры препятствий (отверстий)
S должны быть меньше или соизмеримы
с длиной волны.
(d < Я)—условие проявления дифракции.
124. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА
1
Принцип Гюйгенса: каждая точка
фронта волны является источником
вторичных волн, а поверхность, каса-
тельная ко всем вторичным волнам,
представляет новое положение
фронта волны в следующий момент
времени,
Пъиниип Гюйгенса-Френел я: все
вторичные источники, расположен-
ные на поверхности фронта волны, ко-
герентны между собой. Амплитуда и
фаза волны в любой точке
пространства - это результат ин-
терференции волн, излучаемый
вторичными источниками,
ft Дифракция от одной щели.
Усиление света наблюдаетсяподуглами^,удовлетворяющими
где к =0,1,2,3,~»
----------------~
условию: =(2к +1) - ,
Условие ослабления света: bsm^=2i
i. Дифракционная решетка.
'/«Й
d-b+a—период решетки.
Z_S6 = dsinp—разность хода между лучами,
идущими от соседних щелей.
Максимумы наблюдаются под углами $
удовлетворяющими условию: ~ ,
_____________dsinp»AZ
Минимумы: dsin^o « (2fc +1) - , к «0ДД8,
Блок 16
Т93
125. ДИСПЕРСИЯ СВЕТА
Дисперсией называется зависимость показателя
преломления света от частоты колебаний (или длины во гены)-
рдеНЫЙ '
оранжевый
желтый
зеленый
голубой
синий
фиолетовый J
СПЕКТР
Как
Однажды
Жак
Звонарь
Городской
Сломал
Фонарь
1. Белый свет является сложным светом, состоящим из лу-
чей различной цветности: красного, оранжевого, зелено-
го, голубого, синего, фиолетового - такое разложение
света называется спектром.
Каждой цветности соответствует своя длина и частота волны,
такой одноцветный свет называется монохроматическим
светом
Цвет Длина волны, нм Ширина участка, нм
Красный 800-620 180
Оранжевый Желтый 620-585 35
585-575 10
Желто-зеленый 575-550 25
Зеленый 550-510 40
Голубой 510-480 30
Синий 480-450 30
Фиолетовый 450-390 60
2. Для лучей света различной цветности показатели
преломления данного вещества различны; вследствие
этого при отклонении призмой пучок белого света
разлагается в спектр.
С
V = —
п
Л
Скорость света в любом веще-
стве меньше, чем в воздухе, на
его показатель преломления
с — скорость света в воздухе,
v — скорость света в среде
При переходе монохроматического света из воздуха в любое
вещество длина световой волны уменьшается, частота колебаний
световой волны остается неизменной, а цвет тех или иных лучей
зависит только от частоты колебаний в световой волне
3.
При соединении всех световых лу-
чей спектра вновь образуется белый
свет.
смешение основных цветоз
194
Ьлок 16
126. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА
Поляризацией света называется совокупность явлений
волновой оптики, в которых проявляется поперечность
электромагнитных световых волн.
Естественный свет представляет
собой электромагнитную волну, то
есть совокупность двух поперечных
взаимно перпендикулярных волн -
электрической (образованной коле-
банием вектора напряженности
электрического поля Е) и магнит-
ной (образованной колебанием век-
тора магнитной индукции в),
идущих вдоль общей прямой, называ-
емой световым лучом.
2 . Электромагнитная световая волна называется по-
ляризованной или, точнее, плоскополяризованной, ес-
ли направления колебаний векторов Е и В в этой волне
строго фиксированы и лежат в определенных плоско-
стях.
Кристалл турмалина, будучи
телом анизотропным, пропус-
кает световые волны с колеба-
ниями, лежащими в одной
определенной плоскости.
поляризатор анализатор
4 Для поляризации света широко используются поляроиды (по-
ляризационные фильтры), поляриметры.
Поляроиды используются в автотранспорте для защиты води-
телей от слепящего действия фар встречных автомашин.
Поляриметры — приборы для определения концентрации
растворов оптически активных веществ.
Блок 16
195
127. ИЗЛУЧЕНИЕ И СПЕКТРЫ
Свет - это электромагнитные вол-
ны с длиной волны 4 • 10~7 — 8 • 10~7м
Для того, чтобы атом излучал свет, необхо-
димо передать атому определенное количе-
ство энергии. Излучая, атом теряет
полученную энергию, и для непрерывного
свечения вещества необходим приток
энергии к его атомам извне.
2. Совокупность частот (или длин волн), которые содержатся
в излучении какого-либо вещества, называется спектром
излучения.
Спектры излучения
а) непрерывные ( или сплошные) спектры дают тела,
находящиеся в твердом или жидком состоянии;
б) линейчатые спектры дают все вегцества, находящи-
еся в газообразном состоянии. (Основной тип
спектров.)
6^
желтая
полоска
Изолированные атомы данно-
го химического элемента из-
лучают строго определенный
набор длин волн.
3. Спектром поглощения тела называется спектр внешнего
постороннего излучения, прошедшего сквозь данное тело.
темная по-
лоска на
фоне
сплошного
спектра
Всякое вещество поглоща-
ет световые лучи тех длин
волн, которые оно излучает
в данных условиях.
4 Спектральный анализ-метод определения химического
состава тел по их спектру излучения или спектру по-
глощения.
Спектральный анализ является основным методом контроля со-
става вещества в металлургии, машиностроении, атомной ин-
дустрии. В астрофизике спектральный анализ применяют для
определения химического состава звезд, газовых облаков
5. Спектроскоп - прибор, служащий для исследования
спектров (для спектрального анализа вещества)
Прибор для получения фото-
снимка спектров называется
спектрографом.
196 Блох 16
128. ИНФРАКРАСНЫЕ ЛУЧИ
Излучение, которое обнаруживается непосредственно за
красной частью видимого спектра, называется иифра-
1фасным излучением.
Инфракрасные лучи заполняют по шкале электромагнитных
волн промежуток между ультракороткими радиоволнами с
длинами волн л = 1— 2 мм и видимым светом с длиной волны
8 • 10"7м.
Источники: все нагретые тела.
Свойства: лучи невидимы, хорошо поглощаются телами, из-
меняют электрическое сопротивление тел, действуют
на фотоматериалы, хорошо проходят через туман.
Применение: фотографирование в темноте; для сушки
окрашенных изделий, древесины; в приборах ночного ви-
дения.
129. УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ЛУЧИ
Излучение, которое обнаруживается непосредственно за
фиолетовой частью видимого спектра, называется ультра-
фиолетовым излучением.
Ультрафиолетовые лучи занимают по шкале
электромагнитных волн место между фиолетовыми лучами с
длиной волны 4 • 10“7 м и рентгеновскими лучами с длиной
волны 1 • 10“ 8м.
Источники: Солнце, космос, лазеры, газоразрядные лампы.
Свойства: действуют на фотоэлементы, фотоумножите-
ли, люминесцентные вещества; оказывают бак-
терицидные действия; поглощаются озоном; обладают
лечебными свойствами; лучи невидимы.
Применение* люминесценция в газоразрядных лампах, в авто-
матике, в медицине, свечение микроорганизмов; лазеры.
Р = 10~5 — 10“7мм.рт.ст.
U =50 - 100 кВ
130. РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ
Рентгеновским излучением называются электромагнитные
волны с длиной волны от 10“8м до 10“12м. ( Открыты в 1895 г.
немецким физиком Вильгельмом Рентгеном).
Источники: трубка Рентгена,
лазеры, солнечная корона, не-
бесные тела, бетатрон.
Свойства: обладают большой
проникающей способностью,
вызывают люминесценцию,
действуют на фотоэмульсию,
ионизируют газы, лучи невиди-
мы.
Применение: рентгенострук-
турный анализ, рентгено-
терапия, рентгенография.
Блок 16
197
131 ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ИЗЛУЧЕНИЙ
1. Классификация электромагнитных излучений
Низкочас- тотные волны Радио- волны Инфракрас- ное излу- чение Види- мые луги Ультра^ io- летов ое излучение Рентге- новские лучи ?*амма- лучи
2. Свойства электромагнитных излучений
Вид излучения Свойства
L Низкочастотные Волновые свойства проявляются наиболее
волны сильно, намагничивают ферромагнитные материалы, слабо поглощаются воздухом
2. Радиоволны Делятся на диапазоны: длинные, средние и короткие волны, вызывают свечение га- зоразрядной трубки, хорошо распространяются в воздухе, отражаются от облаков и атмосферы
& Инфракрасное Хорошо усваивается (поглощается) телами, изменяет электрические сопротивление тел, действует на термоэлементы, фотома- териалы, проявляет волновые свойства, хорошо проходит через туман и другие непрозрачные тела, невидимо
4 Видимое Делает видимыми окружающие предметы, преломляется, отражается, ин- терферируется, дифрагирует, разлагается i на лучи различных цветов, вызывает явление фотосинтеза в растениях, фотоэффекта ь металлах и полупроводниках, способствует появлению свободных электронов.
ft Ультрафиолетовое Действует на фотоэлементы, фотоумножи- тели, люминесцентные вещества, оказывает бактерицидное действие, вызывает фотохи- мические реакции, поглощается озоном, об- ладает лечебными свойствами, невидимо
ft Рентгеновское Обладает большой проникающей способно- стью, вызывает люминесценцию, активно воздействует на клетки живого организма, действует на фотоэмульсию, ионизирует га- зы, взаимодействует с атомами (ионами) кристаллической решетки, обладает корпускулярными сгэйствами, невидимо
7. Гамма-лучи Частично перекрывают диапазон рентгенов ских лучей, проявляют в более сильной степе ни корпускулярно-квантовые свойства ионизируют атомы и молекулы телг разрушают живые клетки, не взаимодейству ют с электрическими и магнитными полями
198
Блок 16
3. Виды и источники электромагнитных
излучений
Виды излу- чения Интервал частот, Гц Интервал длин волн, м Источники излучения
1. Низкоча- стотные вол- ны 2. Радиовол- ны 3. Инфра- красное из- лучение 4. Видимые лучи 5. Ультра- фиолетовое излучение 6. Рентгено- вские лучи 7. Гамма-лу- чи 0 -3 • 10s 3 -103-3 • 10 11 3 -1011- 4 -10й 4 -10й-8 -1014 7,5 -1014- 3 -10 17 3 -10 16- 3 -10 2(1 3 -1019-3 -10 29 0—10® 10® -10 -3 2 -10’3-7,6 -10 '7 7,7 -10'7-3,8 -10'7 4 -10’7 —3 -10 ’8 10 ’8 -10 42 10 -“-IO-13' Токи высокой частоты, генератор перемен- ного тока, электри- ческие малгины Колебательный кон- тур, вибратор Герца полупроводниковые приборы, лазеры Солнце, электролампы космос, ртутно-квар цевая лампа, лазеры Солнце, электрическая лампа, люминесцент- ная лампа, электричес кая дуга, лазеры Солнце, космос, лазе^ электричеасая лампа Трубка Рентгена, лаэе ры, бетатрон, солнечна, корона, небесные тела Космос, радиоактив- ный распад, бе- татрон
4. Применение электромагнитных излучений
1 Низкочастотные волны — для плавки и закалки металлов,
изготовление постоянных магнитов, в электротехнической
'май
промышленности.
2. Радиоволны — радиосвязь, телевидение, радиолокация.
3. Инфракрасное излучение — плавка, резка, сварка тугоплав*
ких металлов с помощью лазеров, фотографирование в тумане и
темноте, сушка свежеокрашенных металлических поверхностей, в
приборах ночного видения.
4. Видимые лучи — освещение, фотоэффект, голография, объем*
ное изображение, лазеры
5. Ультрафиолетовое излучение — люминесценция в га*
зоразрядных лампах, закаливание живых организмов, свечение
микроорганизмов, лазеры.
6. Рентгеновские лучи — рентгекоструктурный анализ*
рентгенотерапия, рентгенография, лазеры.
7. Гамма-лучи — дефектоскопия и контроль технологических
процессов, выявление внутренней структуры атомов, терапия и ди*
агностика в медицине, каротаж в геологии, лазеры, военное дело.
Блок 16
199
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
’’ВОЛНОВАЯ ОПТИКА”
Модуль 120. СКОРОСТЬ СВЕТА
1. Начертите схемы и объясните методы определения скорости
света Ремера, Физо, Майкельсона.
2. Выведите математические выражения для определения
скорости света в опытах Ремера, Физо, Майкельсона,
3. Как определить скорость света в веществе, если известен его
абсолютный показатель преломления?
Модуль 121. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ВОЛН
1. Что называют интерференцией волн? При каких условиях
происходит это явление?
2. Какие волны называют когерентными?
З. Что называют разностью хода волн?
4. Сформулируйте и запишите условия образования максимумов
и минимумов при наложении когерентных волн.
Модуль 122. ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ СВЕТА
1. Что называют интерференцией света? При каких условиях ее
наблюдают?
2. Сделав рисунок, объясните интерференцию света в тонких плен-
ках.
3. Как записывают условия образования интерференционных
максимумов и минимумов для световых волн?
4. Приведите примеры практического применения интерференции
света.
Модуль 123. ДИФРАКЦИЯ ВОЛН
1 Что называют дифракцией волн?
2. При каких обязательных условиях проявляется дифракция
волн?
Модуль 124. ДИФРАКЦИЯ СВЕТА
L Что называют дифракцией света? При каких условиях ее на-
блюдают?
2. Сформулируйте и поясните рисунком принцип Гюйгенса. Что
можно определить с его помощью?
3. Попытайтесь на основе принципа Гюйгенса объяснить
200
Блок 16
дифракцию волн. Ответ поясните рисунком.
4. В чем сущность принципа Гюйгенса—Френеля?
5. Сделав пояснительный рисунок, объясните дифракцию света от
одной щели. Какие формулы выражают условие образования
дифракционных максимумов и минимумов? Как выглядит
дифракционная картина?
6. Что называют дифракционной решеткой? Что называют
периодом решетки?
7. Сделав пояснительный рисунок, объясните дифракцию света на
дифракционной решетке. Какие формулы выражают условие
образования дифракционных максимумов и минимумов? Как
выглядит при этом дифракционная картина?
8. Почему справа и слева от центрального максимума наблюдаются
цветные дифракционные спектры разного порядка?
Модуль 125. ДИСПЕРСИЯ СВЕТА
1.Что называют дисперсией света?
2. Начертите схему получения с помощью призмы спектра белого
света. Какие цвета и в какой последовательности наблюдаем в
спектре?
3. В каких пределах длин волн заключены длины волн видимого
света?
4. Какой свет называют монохроматическим?
б. Почему белый свет, проходя сквозь призму, разлагается в цвет-
ной спектр?
6. Для фиолетового или для красного света будет больше показа-
тель преломления вещества призмы (стекла)?
7. Какой свет будет распространяться в веществе призмы (стекле)
с большей скоростью — красный или фиолетовый?
8. Что произойдет при соединении всех световых лучей спектра?
Модуль 126. ПОЛЯРИЗАЦИЯ СВЕТА
1 Что представляет собой естественный свет?
2. В чем состоит сущность явления поляризации волн? Каким вол-
нам оно свойственно?
3. Каким свойством обладает кристалл турмалина? Нарисуйте
схему опыта прохождения света через одну и через две
турмалиновые пластинки. О чем свидетельствует данный опыт?
4. Объясните явление поляризации света исходя из представлений
о свете как об электромагнитной волне. Какой свет является
неполяризованным, а какой — поляризованным?
Блок 16
20i
Модуль 127. ИЗЛУЧЕНИЕ И СПЕКТРЫ
1.Что называют спектром излучения?
2. Какие виды спектров излучения вы знаете? В каких состо^лиях
находятся вещества, излучающие эти спектры?
3. Что называют спектром поглощения? Нарисуйте схему опыт^
прохождения света через пары натрия и трехгранную призму.
Каков результат данного опыта и о чем он свидетельствует?
4.Что называют спектральным анализом? Йа чем он основан?
Модуль 128. ИНФРАКРАСНЫЕ ЛУЧИ
1. Где находится инфракрасный участок спек гра?
2. В каких пределах заключены длины волн инфракрасного излу*
чения?
З.Что является источником инфракрасных лучей?
4. Опишите свойства инфракрасных лучей.
Модуль 129. УЛЬТРАФИОЛЕТОВЫЕ ЛУЧИ
1. Какое излучение называют ультрафиолетовым излучением?
2. В каких пределах заключены длины волн или частоты ультра-
фиолетового излучения?
З.Что является источником ультрафиолетовых лучей?
4. Какими свойствами обладают ультрафиолетовые лучи?
Модуль 130. РЕНТГЕНОВСКИЕ ЛУЧИ
1 Нарисуйте схему и объясните устройство и принцип работы
рентгеновской трубки.
2. В каких пределах заключены длины волн рентгеновского излу-
чения?
3. Перечислите источники рентгеновского излучения.
Модуль 131. ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ
ИЗЛУЧЕНИЙ
1. Что позволяет объединить все виды элек громап ситного изтуче<
ния в одну шкалу электромагниты ; волн?
2. На какие виды излучений принято делить шкалу электромаг*
нитньгх волн?
8. Называя виды электромагнитных излучений, укажите их диа-
пазоны длин волн или диапазоны частот.
202
Блок 17
КВАНТОВАЯ ОПТИКА
Квантовой оптикой называется раздел учения о свете, в котором
изучается дискретный характер излучения, распространение и
взаимодействие света с веществом, а также рассматривается
корпускулярно-волновой дуализм (при распространении света
проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веще-
ством — корпускулярные).
В данном блоке представлены такие вопросы, как зарождение
квантовой теории, фотоэффект и его законы, квантовая теория
фотоэффекта, применение фотоэффекта, фотон и его свойства,
давление света, химическое действие света, фотография»
Содержание 17-го блока
132, Зарождение квантовой физики............203
133. Фотоэлектрический эффект . ... . . . . . . . . -
134. Теория фотоэффекта.......................—
135. Фотоны.................................204
136. Эффект Комптона..........................-
137. Давление света....................... 205
138. Химическое действие света . ......., . . . —
139. Фотоэлементы......................... 206
Вопросы для самоконтроля по блоку
’’Квантовая оптика”.....................207
Блок 17
203
132. ЗАРОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
В1900 году немецкий физик М .Планк выдвинул гипотезуt
атомы излучают электромагнитную энергию отдельны-
ми порциями - квантами,
с
v=x
Г
E=hV=-^~ —энергия
h = 6,63 • 10~84Дж • с
кванта постоянная Планка
ям
с » 3 • 10 — — скорость
-------света
133. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Явление вырывания электронов из вещества под действием
света называется фотоэффектом.
Одмт.Герда
(фотоэффект
открыт в 1887 г.
ГГерцем)
АТ.Столетова
(исследовал это
явление в 1888—
1890 гг. и устансн
вил его законы)
Законы фотоэффекта:
1-й закон. Количество элект-
ронов, вырываемых светом с по-
верхности металла за 1с, прямо
пропорционально поглощаемой
энергии световой волны.
2-й закон. Скорость вырванных
электронов пропорциональна ча-
стоте падающего излучения и не
зависит от его интенсивности.
134. ТЕОРИЯ ФОТОЭФФЕКТА
В1905 году АЭйнштейн пришел к выводу, что свет не только излу-
чается, но и распространяется в пространстве и поглощается веще-
ством в виде квантов. Явление фотоэффекта эксперименталг но
доказало, что свет имеет прерывистую структуру.
, mv*
hv=A +—-
а
юрмула
Эйнштейна
he he
— т------F el/з
условие
— существования
фотоэффекта
____-А
* Ле
/.ft
Минимальная частота или максимальная длина волны,
при которой начинается фотоэффект для данного вещест-
ва, называется его красной граниией фотоэффекта.
hv^A
204
Блок 17
135. ФОТОНЫ
Электромагнитное излучение имеет квантовый
характер, ра^ пространяегася и поглощав тел веществом
в виде отдельных частиц электромагнитного поля - фо-
тонов (Эйнштейн, 1905г.) (Согласно квантовым
представлениям.свет — это поток особых частиц — фотонов с
энергией# =
Основными характеристиками фотона являются:
1. Энергия фотона (#).
# — hit
, ha)
0)
Е-hv-
k - «-'‘Дж -О
! _2л __. _ _______
2, Масса фотона (тУ.
Согласно теории относительностиЕ ~тс2; Е ^hV;
hr h
3. Импульс фотона (р).
hv h I
4. Основные свойства фотона:
является частицей электромагнитного поля;
движется со скоростью света (v = с);
существует только в движении;
масса покоя р?,вна 0 (т0 = 0).
136. ЭФФЕКТ КОМПТОНА
с
,таккакУ=р
А Комптон в J 922 году подтвердил квантовую теорию света,
электрон-мишеньДрассеякшй фотон,
fР’с
налетавший jG-^рассвяаный електрон
фотон и
Е.М; Р-^Г
ДА =Л1 —Ла ——(1 ~~ coso?j
изменение длины волны
Л«=~=2Д ’Ю~10м
тос
комптоновская длина
волны электрона
При столкновении фотона с электроном часть энергии и импу лы
са фотона передаются электрону.
Потеря фотоном энергии приводит к уменьшению его частоты, но
увеличению длины волны Скорость электрона после соударения
определяется на основе закона сохранения импульса.
Блок 17
205
137. ДАВЛЕНИЕ СВЕТА
Давлением света называется давление, которое производят
электромагнитные световые волны, падающие на поверхность
какого-либо тела.
Например, электромагнитная волна падает на ме-
талл, под действие^ электрического поля волны с
напряженностью Е электроны металла будут дви-
гаться в направлюнии, противоположном вектору
Е со скоростью v. _>
Магнитное поле с индукцией В действует на дви-
жущиеся электроны с силой Лоренца в
направлении, перпендикулярном поверхности ме-
талла — это и есть световое давление.
Давление света впервые было предсказано
ДКМаксвеллом в 1864 г.
Экспериментально было измерено ПЛЛебедевым
в 1900г.
давление света на 1м2
ЙН
рв =4,8 • 10’8—
м2
Опыты, Лебедева - экспериментальное доказательство то-
го, что фотоны обладают импульсом,
138. ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СВЕТА
Химическим называется действие света, в результате ко-
торого в веществах, поглощающих свет, происходят химиче-
ские превращения — фотохимические реакции (расщепление
молекул).
1 Фотосинтез—усвоение растениями углекислого газа из возду-
ха и расщепление его молекул на углерод и кислород под действием
света (АК.Тимирязев).
2. Фотография:
а) съемка — распад молекул бромистого серебра под действием
света;
б) проявление — выделение серебра из молекул, подвергшихся
световому воздействию;
в) закрепление — удаление серебра с фотослоя;
г) копирование — перенос изображения с фотопленки на
фотобумагу.
ТЕПЛОВОЕ ДЕЙСТВИЕ СВЕТА
Тепловое действие света—это нагревание тела при поглощении
света, то есть превращение лучистой энергии света во внутреннюю
энергию тела.
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
Люминесиениия (холодный свет) — это превращение одного
вида лучистой энергии в другой вид, а также других видов энергии
в лучистую
Различают два вида люминесценции под действием света:
1 Свечение тел во время освещения, исчезающее по прекращению
освещения, — Флуоредиениия,
2 . Свечение, продолжающееся после прекращения освещения, —
послесвечение, называется ФосФоъесиениия.
206
Блок 17
139. ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
Фотоэлементы различают:
вакуумные с внешним фотоэффектом (вырывание
электронов с поверхности вещества под действием све-
та);
полупроводниковые с внутренним фотоэффектом
(генерация свободных носителей зарядов в по-
лупроводнике вследствие обличения светом
1. Вакуумный фотоэлемент (внешний фотоэффект).
хАтоп I Вакуумный фотоэлемент —
свет п Л 9Д> хД-х прибор, в котором световая
ъ/й г * 1 энергия управляет энергией
V, 1У J электрического тока или
1*91/ 1 И 0 преобразуется в нее.
—4”' \ус ловное обозначение
вакуумного фотоэлемента.
2, Полупроводниковый фотоэлемент (внутренний фотоэффект).
Фотоъезистор—полупроводниковый
прибор, сопротивление которого зави-
сит от его освещенности.
Используется в автоматическом управлении электрическими
цепями с помощью световых сигналов.
6) фотоэлемент — полупроводниковый
—। прибор, непосредственно преобразу-
ющий световую энергию в энергию
—1 электрического тока.
Используется в солнечных батареях — искусственных спутни-
ков, электростанций в пустыне.
Применение фотоэффекта в технике:
кино —* воспроизведение звука;
фототелеграф, фототелефон;
фотометрия — измерение силы света, яркости, освещенно-
упрявление производственными процессами (см. ниже схему).
2
1 — фотоэлемент,
2 — транзистор,
3 — электромагнитное реле.
Блок 17
207
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"КВАНТОВАЯ ОПТИКА”
Модуль 132. ЗАРОЖДЕНИЕ КВАНТОВОЙ ФИЗИКИ
1 Изложите историю развития взглядов на природу света.
2 Почему пришлось прибегать к представлению о дискретности
светового потока?
3 . В чем заключается сущность гипотезы МЛланка?
4 Запишите формулу энергии кванта.
5 . Чему равна постоянная Планка?
Модуль 133. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
1. В чем состоит явление фотоэффекта?
2. Когда и кем было открыто явление фотоэффекта?
3. Нарисуйте схему установки опыта Герца и объясните, в чем суть
опыта.
4 Нарисуйте и объясните опыт АТ.Столетова.
5. Объясните законы фотоэффекта с точки зрения квантовой
теории света.
6. Начертите вольт-амперную характеристику фотоэффекта и
объясните ее особенности.
Модуль 134. ТЕОРИЯ ФОТОЭФФЕКТА
1. Напишите формулу Эйнштейна для фотоэффекта и объясните
ее физическую суть.
2. Каково условие существования фотоэффекта?
З. Что называют красной границей фотоэффекта?
4. Запишите формулу для красной границы фотоэффекта.
5. Почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой
света?
Модуль 135. ФОТОНЫ
1.Что представляет собой фотон?
2 Перечислите основные свойства фотона.
3. Напишите формулу энергии фотона, зная частоту колебаний
света, либо используя длину волны.
4. Как определить массу и импульс фотона?
5. Как направлен импульс фотона?
Модуль 136. ЭФФЕКТ КОМПТОНА
1В чем состоит эффект Комптона?
2. В чем заключается корпускулярно-волновой дуализм света?
3. Объясните электромагнитную теорию света.
4. Какие факты свидетельствуют о наличии у света корпускуляр-
Блок 17
ных свойств?
5. Какова сущность волновой теории света?
6. Что такое свет?
Модуль 137. ДАВЛЕНИЕ СВЕТА
L Как на основе электромагнитной теории объясняют давл ие све-
та?
2. Расскажите об опыте ПЯЛебедева по измерению светового давле-
ния
3. Чему равна сила светового давления, приходящаяся на 1м2?
4. Как объяснить световое давление на основе квантовых
представлений о свете?
Модуль 138. ХИМИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ СВЕТА
1. В чем проявляется химическое действие света?
2. Какие реакции называются фотохимическими? Приведите
примеры фотохимических реакций.
8. Что способствует обеспечению круговорота углерода и кислорода в
природе?
4.Что называют фотосинтезом? Какова его роль в жизни Земли?
6.Что представляет собой чувствительный слой фотопластинки?
6. Опишите все операции процесса получения фотоснимка. Каково
значение фотографии для науки?
7. В чем проявляется тепловое действие света?
8. Что называют люминесценцией?
9. Дайте объяснение двум видам люминесценции - флуоресценции и
фосфоресценции.
Модуль 139. ФОТОЭЛЕМЕНТЫ
К В чем суть явления внешнего фотоэффекта?
2. Что называют внутренним фотоэффектом?
8. Что называют фотоэлементом? Нарисуйте и объясните устройство
и принцип работы вакуумного фотоэлемента, основанного на внеш-
нем фотоэффекте. Почему такие фотоэлементы не используют как
источники электроэнергии?
4. Каков принцип действия фотоэлемента с внутренним фотоэффек-
том?
б. В чем принципиальное различие между внешним и внутренним фо-
тоэффектами?
6. Что такое фоторезистор? Каков его принцип действия? Как и где
используется фоторезистор?
Блок 18 209
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Специальная теория относительности, созданная А.Эйнштей-
ном, представляет собой физическую теорию, в корне изменив-
шую представление о пространстве и времени, на которой
базирсзалась классическая (ньютоновская) физика,
Содержание 18-го блока
140. Элементы теории относительности......210
141. Релятивистский закон сложения скоростей . . . .211
142. Релятивистская динамика. Связь между
массой и энергией..........................-
Вопросы для самоконтроля по блоку
’’Теория относительности”..............212
210
Блок 18
140. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
Современная физика подразделяется на:
1, Классическую механику (изучает движение макротел и
микротел с малыми скоростями v «с)
2. Релятивистскую механику (изучает движение макротел с боль-
шими скоростями v^c\
8. Квантовую механику (изучает движение микротел с большими
скоростями v с).
Специальная теория относительности (СТО) — это новое учение о
пространстве и времени, которое основывается на двух постулатах
Первый постулат — принцип относительности: все физиче-
ские явления протекают одинаково в любых инерциальных
системах отсчета.
Второй постулат — принцип постоянства скорости света:
скорость света в вакууме не зависит от направления его рас-
пространения и от движения источника.
Относительность одновременности.
В СТО одновременность двух собы-
тий, происходящих в различных точ-
ках пространства, относительна:
события, одновременные в одной
инерциальной системе отсчета,
не одновременны в других
инерциальных системах, движу*
щихся относительно первой.
Относительность длин (расстояний).
. / V2,
I ~ o’ I to.
_ У _С J
Zo — длина стержня в системе К ,
I — длина стержня в системе К, от-
носительно которой стержень дви-
жется со скоростью V,
Линейный размер тела, движущегося относительно
инерциальной системе отсчета, уменьшается.
Относительность промежутков времени.
2 М ЗА(К') 7
То — интервал времени в подвижной
системе К',
Т — интервал времени относительно
системы л.
Время в движущихся системах замедляется.
Блок 18
211
141. РЕЛЯТИВИСТСКИЙ ЗАКОН СЛОЖЕНИЯ СКОРОСТЕЙ
Релятивистский закон сложения
v -г V1
т>2 =---
1+^
с2
Следствие
VI V
Если v «с;Vi «с, то—~— пренебрегаем
с2
v + ci v + с
—.— =с
С + V
с
Если V1 — С, ТО V2 =
VC
1+т
с2
Еслиvi ~c;v — с, то v% = — = с
Zj
V2~V + Vl.
V2 —С.
Vi =C.
142. РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ДИНАМИКА. СВЯЗЬ МЕЖДУ
МАССОЙ И ЭНЕРГИЕЙ
1. Зависимость массы тела от скорости. Второй закон Ньютона в
релятивистском виде.
Второй закод Ньютона для тела в классической динамике имеет
вид* f" = где /V = тЛи— импульс тела.
При увеличении скорости тела его масса растет
то
т = -т-—
J V*
У1-?
зависимость
— массы тела т>Шо
от скорости
где Шо—масса тела
в системе К ,
т — масса тела
относительно
системы Я.
Основной закон динамики в релятивистском виде имеет вид:
-> Д? -> m^v
F=-^, где Р=Г==Г
Г ?
2. Связь между массой и энергией.
9 тос2
Е = тс —f- =^-
|/ v2
VI--------------
V с4-
— полная энергия тела
(закон взаимосвязи массы и энергии), где
ям
с — 3 • 10 — — скорость света в вакууме.
с
Ео ” mocj — энергия покоя тела.
Любое тело, уже благодаря факту своего существования, обла-
дает энергией, которая пропорциональна массе покоя.
Блок 18
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ”
Модуль 140. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ
ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
L Объясните сущность теории относительности.
2, Каким путем Эйнштейн решил противоречия, возникшие при
применении механического принципа относительности к законам
электродинамики?
3. Сформулируйте постулаты теории относительности и объясните т
сущность.
4. В чем заключается относительность одновременности событий?
5. В чем заключается относительность длин (расстояний)? Какая
формула выражает смысл этого понятия? В чем заключается
релятивистский эффект сокращения длины тел?
6. В чем заключается суть относительности промежутков времени?
Какая формула выражает смысл этого понятия? В чем заключает-
ся релятивистский эффект замедления времени?
Модуль 141. РЕЛЯТИВИСТСКИЙ ЗАКОН СЛОЖЕНИЯ
СКОРОСТЕЙ
1. Как записывается и формулируется классический закон сложения
скоростей?
2. Запишите релятивистский закон сложения скоростей.
3. Докажите соответствие релятивистского закона скоростей и
второго постулата теории относительности.
Модуль 142. РЕЛЯТИВИСТСКАЯ ДИНАМИКА.
СВЯЗЬ МЕЖДУ МАССОЙ И ЭНЕРГИЕЙ
JL Запишите формулу, выражающую зависимость массы тела от
скорости его движения. В каком случае масса тела не зависит от
скорости движения тела?
2. Как записывается второй закон Ньютона в релятивистском виде?
3 Запишите формулу, выражающую свзяь массы и энергии при
нерелятивистском движении и объясните его смысл.
4. В чем состоит закон взаимосвязи массы и энергии?
5. Что называют энергией покоя? Какая формула выражает смысл
этого понятия?
213
ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ раздела
"ОПТИКА. ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ"
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
1. Преломление волны и свела
п — относительный показатель
sinCt проломления
71 ~ ; л (X—угол падения
sinp р — угол преломления м
VI п = — vi — скорость света в первой среде ~~
VZ с
с м
п =—• V2 — скорость света во второй спепе —
Vcp. с м
с — скорость света в гакууме
м
vcp. — скорость света в среде ~
2. Формула тонкой линзы
1 -Л=4- j. (7 — расстояние от предмета до линзы ы
d “* f ~ p расстояние от линзы
п f Ju до изображения м
Г = — =— ^—фокусное расстояние линзы м
h d Г — увеличение линзы
-£ h — высота предмета м
D Я — высота изображения м
J1 D — оптическая сила линзы дг гр
ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
Ad=2fc~
z
условие максимума
Ad=(2fc+1)£
условие минимума
3. Интерференция волн и света
Ad — разность хода i
Л — длина волны и
4. Дифракция волн и света
dsintp=И - max d - период решетки м
dsintp = (2k +1) - — min «— угол наблюдения град
/а
Е *=hv
he
Е = -г
КВАНТОВАЯ ОПТИКА
5. Энергия кванта (фотона)
Е — энергия кванта (фотона) Дж
V— частота света Гц
h = 6,63 • 10~г4Дж • с
постоянная Планка
Л — длина световой волны м
6. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта
hV=A + —
he
А~1—
Лпах
А — JlVrnin
А — работа выхода электрона Дж
V — частота излучения света Гц
mv2
— кинетическая энергия Дж
электрона
т = 9,1 • 10~31кг — масса электрона
м
v — скорость электрона —
7. Масса и импульс фотона
hv h
hv h
Р = тс =— =-т
С Л
т — масса фотона кг
кг • м
Р — испульс фотона ------
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ
8. Связь между массой и энергией
Е -тс2
т — масса
КР
Е — энергия (тела, излучения, поля) град
ям
с = 3 • 10 ——скорость света
с в вакууме
РАЗДЕЛ 6
ФИЗИКА АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА
Атомная и ядерная физика изучает свойства и структуру
атомов и атомных ядер.
Основные вопросы изучения физики атома — дискретность
энергетических уровней атома, излучение и поглощение света
атомами, спектры и спектральный анализ, принцип действия
лазеров.
Основная задача ядерной физики связана с выяснением
природы ядерных сил, действующих между нуклонами — со-
ставными частями ядер, и с выяснением особенностей движения
нуклонов в ядрах. Ядерная физика включает в себя ядерную
спектроскопию, изучающую квантовые характеристики
энергетических состояний (уровней) ядер, и нейтронную физи-
ку, изучающую рассеяние и захват нейтронов ядрами, процесс
деления ядер нейтронами и научную основу реакторостроения.
СОДЕРЖАНИЕ 6-го РАЗДЕЛА
Блок 19. Основы атомной физики..............216
Блок 20. Основы ядерной физики..............222
Основные формулы раздела
"Физика атома и атомного ядра”........235
216
Блок 19
ОСНОВЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
В начале ХХв. английский ученый Э.Резерфорд установил су-
ществование атомного ядра и выдвинул планетарную модель
строения атома. Согласно этой модели в центре атома находится
ядро, весь остальной объем ’’представлен’* электронами. В 1913
году Н.Бор разработал первую количественную теорию атома,
теорию простейшего атома — атома водорода. Он выдвинул три
постулата: постулат стационарных состояний, правило частот,
условия квантования круговых орбит — это и есть главные
вопросы, изучаемые в данном блоке, кроме этого блок содержит
материал о принципе действия лазера.
Содержание 19 - го блока
143. Строение атомов..........................217
144. Постулаты Н.Бора.........................218
145. Модель атома водорода по Бору.............
146. Лазеры...................................219
Вопросы для самоконтроля по блоку
’’Основы атомной физики”..................220
Бл- 19
217
143. СТРОЕНИЕ АТОМОВ
1. Опыт Резерфорда (1966 г.)
фольга акрах
источник пучок
«l-частии dt-частиц
Опыты Резерфорда показали, что 66-частицы, прошедшие
сквозь фольгу, то есть через электронную оболочку атомов
фольги, встречая на своем пути электроны, практически на них
не рассеиваются, так как масса электрона значительно меньше
массы а-частицы. Только те Сб-частицы, которые проходят
вблизи ядра, испытывают резкие отклонения.
2. Планетарная модель атома.
В центре атома находится положительное
S ядро, вокруг которого вращаются по опреде-
( ленным орбитам электроны. Основная масса
II атома сосредоточена в ядре. Атом элек-
\ J трически нейтрален - абсолютное значение
х' суммарного отрицательного заряда элек-
тронов равно положительному заряду ядра.
8. Строение атомов.
Все твердые, жидкие и газообразные вещества состоят
из атомов или молекул. Строение всех атомов основано
на общих закономерностях.
&атома —10 М
&ядра, *“** 10 М
Элементарные частицы Заряд, q {протоны; + 1,6 -10’19Кл [НЕЙТРОНЦ 0 | ЭЛЕКТРОНЫ, -1,6 -10~19Кл
Масса йокоя, тп0 1836me 1839тпе 9,1 • 10~3|кг
Обозначение 1 р п е
AU&UU
Пример:
Число протонов ядра равно числу
электронов на оболочке и соответст-
вует порядковому номеру атома дан-
ного химического элемента в
периодической системе Менделеева.
4. Единицы заряда, массы и энергии в атомной физике*
а) за единицу заряда принят элементарный заряд, равный заряду
электрона е =1.6 ’ 10"‘9/Сл,
б) за единицу массы принята атомная единица массы (а.е.м), равная
1 1 — 27
массы атома углерода 1 а.е м. = ^Г771^ = 1^6 *10 кг;
в) за единицу энергии принимается электрон-вольт (эВ)
1эВ =1,6 • 10'19Дж.
218
Блок 19
144. ПОСТУЛАТЫ Н.БОРА
Первый постулат Бора (постулат стационарных состояний):
атомная система может находиться только в особых стацио-
нарных или квантовых состояниях, каждотлу из которых соот-
ветствует определенная энергия Е^ в стационарном состоянии
атом не излучает энергии.
Второй постулат Бора (правило частот): при переходе атома из
одного состояния в другое испускается или поглощается квант
электромагнитной энергии
_ _ __Е’к~Еп Ek >Еп — излучение
Ekn “hVkn —Ек~Еп; Vkn —----; Ек<Еп — поглощение
Третий постулат Бора (правило квантования орбит): возможен
лишь дискретный ряд ороит, по которым электрон может дви-
гаться в стационарном состоянии.
где ti =
------------------
— =1,05 -10-34Дзк-С
mvr = nti ,
где тп — масса электрона; v — скорость электрона;
г — радиус n-ой орбиты.
145. МОДЕЛЬ АТОМА ВОДОРОДА ПО БОРУ
L Излучение света происходит при переходе атома с выс-
it
(Э.<
серия серия
Пашена Брэкета
серия
Бальмера
ших энергетических
уровней Ек на один из ни-
зших энергетических
уровней Еп (то есть при
переходе электрона с
внешней орбиты на
внутреннюю орбиту п).
Атом в этом случав излу-
чает квант hvjcn энергии.
® / серия
J Лаймена
*(эв)
1 । частота
= К ( — - — - излучения
п2 fc2 света,
1 те4
(Ш)2 4лА3
=3,27*1О15(Г1
— постоянная Ридберга.
^Поглощение света - процесс, обратныйизлучению.Атом,
Поглощал квант электромагнитной энергии, переходит
Пз низших энергетических состояний в высшие.
/1
частота поглощения света.
Блок 19
219
146. ЛАЗЕРЫ
Лазер — это оптический квантовый генератор, создающий
мощные, узконаправленные, когерентные пучки мо-
нохроматического излучения.
1 Вынужденные излучения.
В обычных условиях атомы в веществе находятся в основных
стационарных состояниях и обладают минимальной энергией.
Чтобы атомы перешли из основного стационарного состояния в
возбужденное, необходимо вещество облучать
електромапштными волнами.
а)
б)
невозбужденный возбужденный
атом атом
Изображен процесс по-
глощения света при
прохождении его через
вещество.
Одновременно с переходами атомов из основного состояния а
возбужденное (с поглощением фотонов) происходят переходы
из возбужденного состояния в основное с излучением фотонов.
а)
б)
возбужденный
атом
Изображен процесс
образования вынуж-
денного облучения.
возврат в основное
состояние
2 . Принцип действия лазера.
р^бин — кристалл оксида алюминия AI2O3, в котором 0,05 %
атомов алюминия Л! замещены ионами хрома Сг.
,, - ___з При облучения рубина сине-зеленым светбП
1 3 ионы хрома возбуждаются и переходят из ста-
“1 ционарного состояния 1 в возбужденное состояв
, ♦ . ние 3, чербз очень малое время 10“8 с
большинством ионов хрома без излучения света
переходят на уровень 2. Время пребывания в состоянии 2 в 100 009
раз больше, тем самым создается его "перенаселенность” и число
возбужденных атомов вещества становится больше числа невоз-
бужденных. Переход из состояния 2 в состояние 1 под действием
внешней электромагнитной волны сопровождается излучением.
8. Устройство рубинового лазера.
1 — система зеркал,
2 — рубиновый стержень,
3 — газоразрядная лампа,
4 — система охлаждения,
5 — батарея конденсаторов.
4. Типы лазеров:
твердотельные, газовые, полупроводниковые, химические, газо-
динамические и другие.
220
Блок 19
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"ОСНОВЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ”
Модуль 143. СТРОЕНИЕ АТОМОВ
1. В чем заключается Сущность модели Томсона?
2. Начертите и объясните схему опы га Резерфорда по рассеиванию
66-частиц Что наблюдаем в этом опыте?
3. (Объясните причину рассеивания rz-частиц атомами вещества.
4. В чем сущность планетарной модели атома? Начертите и объяс-
ните ее схему
б. Почему планетарная модель атома не согласуется с законами
классической физики?
6. В чем состоит физический смысл порядкового номера элементов
в таблице Менделеева?
7, Что принято за единицу заряда в атомной физике?
8. Что такое электрон-вольт (эВ)? Каково его соотношение с джо-
улем?
такое атомная единица массы (а ем)? Каково ее соотноше-
ние с килограммом?
Модуль 144. ПОСТУЛАТЫ Н.БОРА
L Сформулируйте первый постулат Бора — постулат стацио-
нарных состояний.
2. Какие затруднения вызвала планетарная модель Резерфорда
для объяснения процессов излучения энергии атомами? Каким
Путем Н.Бор вышел из этого положения?
8. Запишите и сформулируйте правилояастот — второй постулат
Бора.
4. Запишите и сформулируйте правило квантования круговых
орбит — третий постулат Бора.
5. Выведите формулу, по которой можно определить скорость
электрона на любой стационарной круговой орбите.
Модуль 145. МОДЕЛЬ АТОМА ВОДОРОДА ПО БОРУ
L Начертите схему энергетических уровней атома водорода и объ-
ясните механизм образования спектральных линий.
2. Как называется серия спектральных линий в спектре излучения
атома водорода?
В. Напишите формулу, позволяющую вычислить частоту любой
спектральной линии в спектре излучения атома водорода.
4. Чему равна постоянная Ридберга?
Ьлок 19
5. В каком случае атом излучает квант электромагнитной энергии,
а в каком поглощает ее?
6. По какой формуле определяется частота поглощения света?
Модуль 146. ЛАЗЕРЫ
1.Что такое лазер?
2. Какое излучение называют спонтанным и почему оно,. неко-
герентно?
3. Сделав рисунок, объясните процесс образования вынужденного
излучения. Какое излучение называют вынужденным или инду-
цированным?
4. Объясните принцип действия лазера. Сделав рисунок, объясни-
те процесс получения вынужденного излучения по
трехуровневой системе.
5. Объясните устройство рубинового лазера.
6. Какие типы лазеров вы знаете и в каком режиме они работают.
7. Перечислите основные сферы применения лазеров.
8. Чем отличается лазерное излучение от излучений, создаваемых
другими источниками света?
222
Блок 20
ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
В 1932 году английский физик Д.Чедвиг открыл нейтрон, а не-
мецкий ученый В.Гейзенберг и независимо от него советский фи-
зик Д.Д.Иваненко выдвинули протонно-нейтронную модель
строения атомного ядра. Согласно этой модели ядра состоят из
протонов и нейтронов, которые удерживаются внутри ядра мощ-
ными ядерными силами, В результате из атомной физики
произошло выделение самостоятельно развивающегося
направления — ядерной физики.
Содержание 20 - го блока
147. Способы наблюдения элементарных частиц . . . 223
148. Радиоактивность..........................224
149. Правило смещения...........................—
150. Закон радиоактивного распада...............—
151. Общая характеристика атомного ядра.......225
152. Изотопы....................................—
153. Ядерные силы...............................—
154. Энергия связи атомных ядер.................—
155. Ядерные реакции..........................226
156. Деление ядер урана.........................—
157. Цепные ядерные реакции...................227
158. Ядерный реактор...........................—►
159. Термоядерные реакции.......................—
160. Доза облучения...........................228
161. Элементарные частицы.....................229
162. Типы взаимодействия частиц...............230
Вопросы для самоконтроля по блоку
’’Основы ядерной физики”.................231
Блок 20
223
147. СПОСОБЫ НАБЛЮДЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
1. Счетчик.Г&^г&ра=.Мюллера,.
катод
Счетчик состоит из закрытой
трубки, по оси которой натянута
струна (А), а стенки покрыты тон-
ким проводящим слоем (К). Трубка
заполняется аргоном Между А и К
образуется сильное электрическое
поле. Частица, попадающая в трубку, пролетая в газе, иони-
зирует газ, вследствие чего возникает разрядный ток. Таким
образом, частица вызывает импульс тока, который через уси-
литель подается на регистрирующее устройство
2. Камера Вильсона — цилиндр со стеклянными боковыми
стенками и крышкой, в котором
перемещается поршень. Камера за-
стекло
частицы
поршень
влажная.
материя
окошечко, ___
через которое
полнена парами воды или спирта.
При быстром выдвижении поршня
воздух в камере охлаждается и пар
становится перенасыщенным. Час-
тицы, пролетая через камеру,
ионизируют воздух. На образовав-
шихся ионах конденсируется
перенасыщенный пар. Капельки
образуют видимый след
пролетевшей частицы — трек.
3. Пузыръковал камера — со-
держит перегретую жидкость
(жидкий водород или гелий). При резком уменьшении давления
происходит закипание жидкости, пузырьки пара прежде всего
возникают в местах, где имеются заряженные частицы. Путь
заряженных'частиц (трек) обозначается цепочкой пузырьков
жидкости, которая и фотографируется.
4. Метод толстослойной фотоэмульсии — частицы, попа-
дая на фотоэмульсию, "выбивают электроны из атомов
бромистого серебра. После проявления те места, где частицами
"выбиты” электроны из атомов бромистого серебра, образуют
след — траекторию полета частицы. По характеру видимого
следа, его толщине, расстоянию между "выбитыми электрона-
ми, можно судить о свойствах пролетавшей частицы —
скорости, энергии.
5. Спинтарископ — короткая трубка, дно которой покрыто
сернистым цинком (экран), флуоресцирующим под ударами
сравнительно тяжелых частиц. Если на острие иглы поместить
ничтожное количество вещества, излуча-
ющего тяжелые частицы, они дают на
экране вспышки, называемые снинтилля-
лупа
мгла с.. ± , ------------
веществом пиями, которые можно наблюдать через
излучающим лупу в другом конце трубки.
«I- частицы
экран
сернистого
цинка
2Z4
Блок 20
148. РАДИОАКТИВНОСТЬ
Способность атомов некоторых естественных и искусствен
ных хидшческих элементов самопроизвольно (спонтанно) из-
лучать (X - , р - частицы и у - кванты, превращаясь в атомы
другого химического элемента, называется
радиоактивностью.
(X- лучи - поток ядер атомов гелия (iHe) - тя-
желые положительно заряженные частицы с
массой т = 4а.ем. и зарядом q=2e со скоростью
около 107м/с.
fl - лучи - поток быстрых электронов, обладаю-
щих скоростью от Ю8м/с до 0,999 с
у - лучи - электро магнитные волны с длиной
волны от 10-П) —10”13 м. у - лучи не отклоняются
электрическими и магнитными полями.
149. ПРАВИЛО СМЕЩЕНИЯ
Превращения атомных ядер, которые сопровождаются испуска-
нием (X- ир - лучей, называются соответственно (X- ир-распадом.
Термина у - распад" не существует, так как (X- и р- распад
сопровождаются у - излучением.
Распадающееся ядро называется материнским, ядро продукта
распада — дочерним.
|1л ~>^-1г+|Яе
Пример.
1г Ро > $"РЬ +%Не
2./3- распад._
l£±I±ir±ZZ
Пример:
-> IVbi + _1е°
Ядро теряет положительный заряд 2 е,
масса убывает на 4а.е.м. В результате
элемент смещается на две клетки к на-
чалу периодической системы (^Нв -
ядро атома гелия).
Заряд ядра увеличивается на Ye, масса
остается неизменной, т к. масса
электрона пренебрежительно мала. В
результате элемент смещается на од-
ну клетку к концу периодической сис-
темы (\е° - обозначение электрона).
150. ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА
Периодом полураспада Т называется время, в течение которого
распадается половина способных к распаду ядер.
распада
No — число ядер в начальный момент времени;
W — число ядер, не распавшихся по
прошествии времени t.
Блок 20
225
151. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АТОМНОГО ЯДРА
Атомное ядро любого химического элемента состоит из
положительно заряженных протонов и не имеющих
электрического заряда нейтронов. Протон и нейтрон яв-
ляются двумя зарядовыми состояниями ядерной частицы,
называемой нуклоном.
А X ’
2 Л N литии р
X — символ данного химического элемента,
Z —. число протонов в ядре, равное числу
электронов на орбите, что соответствует
атомному номеру элемента в таблице Мен-
делеева,
N — число нейтронов в ядре,
А — массовое число — общее число протонов и нейтронов в ядре,
равное округленной до целого числа относительной атомной массе
элемента.
152. ИЗОТОПЫ
Ядъа с одинаковым числом
(р® ) (% ] протонов, но с различным
?Н числом 'нейтронов называют-
протий дейтерий трития ся одного химиче-
е а р ского элемента
153. ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ
Силы, действующие между протонами и нейтронами в ядре и
обеспечивающие существование устойчивых ядер, называют-
ся ядерными силами.
Ядерные силы обладают следующими свойствами:
а) являются силами притяжения;
б)являются силами коротко действующими, проявляются на ма-
лых расстояниях между нуклонами (г « 2 • 10~15м);
в) обладают свойствами зарядовой независимости: эти силы, дей-
ствующие между двумя протонами, между двумя нейтронами или
между протоном и нейтроном, одинаковы.
154. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР
Под энергией связи понимается энергия, необходимая для
полного расщепления ядра на отдельные нуклоны (т.е протоны
и нейтроны).
Мерой энергии связи атомного ядра является дефект масс —
разность между суммарной массой всех нуклонов ядра в свободном
состоянии и массой ядра Мя.
&М =Zm?+(A -2)7Пп~МЛ
дефект масс
энершя связи ядре.
где Z — число протонов,
N — число нейтронов,
тр «1,00728 а.ем. — масса
протона,
тп «1,00867 а.ем. — масса
нейтрона,
Мн «1,00783 а.ем. — масса атома
водорода (1я).
226
Блок 20
155. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Ядерными реакциями называют изменение атомных ядер
при взаимодействии их с элементарными частицами или друг
с другом.
В большинстве случаев в ядерных реакциях участвуют два ядра и
две частицы: одна пара ядро-частица — исходная пара: другая —
конечная пара- т . ч
А + а +Е В А~Ъ или короче А (aib)В.
Энергетическим выходом ядерной реакции называют
разность энергии покоя ядер и частиц до реакции и после
реакции.
А+а +Е В + Ь — поглощение энергии,
А 4- а -* В + b +Е — выделение энергии.
Примеры: реакции бомбардировки.
1. Первое наблюдавшееся превращение ядра (Резерфорд, 1919).
+!«-> Fo+1Р #14(«;р)о17
2. Открытие нейтрона (Чедвик, 1932).
?Ве+!«-> l2C+Jn Ве9(в;п)С12
3. Первое использование ускоренных протонов (1932).
1ТЛ + (р -* fee + Li 7 (Р; а) Не 4
4. Первое искусственное получение радиоактивного элемента и
открытие позитрона ( Ф.Жолио-Кюри, 1932).
Uai +|а-> +1п л/27(о;п)рзо
??Р -* l^Si + +ie +°е — позитрон
156. ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА
Делением ядра называется ядерная реакция разделения тяже*
лого ядра, возбужденного захватом нейтрона, на две
приблизительно равные части, называемые продуктами деле-
ния (осколками).
В 1938 г. Ган, Штрассман, Мейтнер впервые осуществили деление
урана-235 нейтронами1.
энергия
излучение
Wu + In -> + ЦКг 4- 3 Ы (выделение энергии 200 МэВ ).
В результате бомбардировки ядра изотопа урана медленным
нейтроном *п, ядро, захватывая нейтрон, делится на два радиоак-
тивных осколка — на изотоп криптона и изотоп бария Ц5Ва,
все это сопровождается испусканием трех вторичных нейтронов,у—
лучей и выделением энергии ~ 200 МэВ.
Блок 20
227
157. ЦЕПНЫЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Цепной реакцией называется процесс, в котором
определенная реакция вызывает последующие реакции тако-
го же типа.
При делении ядра урана на каждый нейтрон, вызвавший деление,
вновь образуется два или три нейтрона, которые могут вызвать
следующие деления ядер, при этом число нейтронов быстро растет.
Число нейтронов в одном акте деления к числу таких нейтронов в
предыдущем акте называется коэффиииентом размножение
нейтронов к
(при к =1 — постоянно; к <1 — затухает; к >1 — возрастает =£>
взрыв).
Медленный нейтрон
Быстрые Iнейтроны _
осколок L—.—> осколок
[ Замедлитель)
Медленней нейтрон
локолокРосколок
/ I \
jЗамедлитель^
Условия протекания ядерно й
цепной реакции в уране- 235
а) скорость нейтронов должна
быть достаточной, чтобы вы-
звать ядерные деления ядер;
б) должны отсутствовать
примеси, поглощающие ней-
трон;
в) необходимо иметь минималь-
ное количество вещества, нуж-
ное для осуществления цепной
реакции, называемое крити-
Wu + Jn -> 116в» + + 8 In
ll^p-* %l9Pu. + -ie
158. ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
Ядерным реактором называется устройство, в котором осуще-
ствляется управляемая реакция деления ядер (к = 1).
Основные элементы мерного реактора:
LЯдерное горючее (?у£7; ; li9Pu).
2. Замедлитель нейтронов (тяжелая вода, графит).
3. Теплоносители (вода, жидкий натрий),
4. Устройство для регулировки реакций (кадмий, бор).
5. Защита (оболочка из бетона, железа).
159. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
Термоядерные реакции - это реакции слияния легких ядер
при очень высокой температуре (107 — 109К).
IН + lHe + In + 17,7МэВ
При слиянии ядер дейтерия 1н и трития ?Я в ядро гелия &Не выде-
ляется энергии Зр МэВ на один нуклон. При реакциях деления —
1 МэВ на один нуклон.
228
Блок 20
D г . ГР
"=Т М=-
160. ДОЗА ОБЛУЧЕНИЯ
1 Поглощенной дозой излучения ($) называется отношение
энергии к массе облучаемого вещества.
Единицей дозы излучения является пэей,(Гр).
Грей равен поглогцепной дозе излучения соответствую-
щей энергии 1Дж ионизирующего излучения,
переданного облучаемому веществу массой 1 кг.
Внесистемная единица дозы - рад (1рад = 10’2Гр)
22Иощностью поглощаемой дозы излучения (N) называется до-
за, отнесенная к единице времезш.
Гр Грей в секунду равен мощности по-
глощаемой дозы облучения, при ко-
с торой за 1с облучаемым веществом
поглощается доза 1Гр.
3* Экспозиционная доза излучения (Аэ) представляет
энергетическую характеристику излучения, оцениваемую по
эффекту ионизации сухого атмосферного воздуха.
Кл единица экспозиционной дозы облучения, при
[п ] = — — которой сумма электрических зарядов ионов
1 J кг каждого знака, созданных электронами, осво-
бодившимися в облученном воздухе массой 1
кг, равна 1 Кл.
, Кл
1Р = 2£8 • 10 — — Внесистемная единицдэкствиционнойдозыОР)
кг
4. Мощность экспозиционной дозы
D,
N,=—
V
равна мощности экспозиционной дозы излучения,
(у । — А _ при которой за 1с сухому атмлоздуху передается
9 кг .Кл
экспозиционная доза 1—.
кг
Внесистемная единица мощности экспозиционной дозы
1- =2,58 • 10-4—; 1— =4,30 • 1О‘в—; 1- =7,17 • 10'8—.
С кг мин кг ч кг
5. Эквивалентная доза облучения оценивается по биологическому
воздействию излучения. Единицей эквивалентной дозы излуче-
,Дж
ния является джоуль на килограмм (-J.
кг
Внесистемной единицей эквивалентной дозы излучения слу-
жит биологический эквивалент рентгена (бэр). Так называется
поглощенная энергия излучения, биологически эквивалентная
одному рентгену: 1бэр — 10'2 .
кг
Предельно допустимая доза для людей, которые постоянно или
временно работают непосредственно с радиоактивными веще-
ствами, составляет 5 бэр в год. Это такая годовая доза, которая,
равномерно воздействуя в течение 50 лет, не вызывает в состоя-
нии здоровья неблагоприятных изменений.
Блок 20
229
161. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
Элементарные частицы — это первичные, неразложимые далее ча-
стицы, из которых построена вся материя.
Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти вза-
имные превращения — главный факт их существования. Лишь фо-
тон, электрон, протон, нейтрон сохраняют свою неизменность.
Каждая частица имеет античастицу. Частица и античастица име-
ют одинаковые массы, но они противоположны по знаку заряда
(электрон е-; позитрон е+).
Классификация наиболее долгоживущих частиц приведена в таб-
лице.
Наименование частиц Г 1 Символ ' i 1 ! ! Масса, ! ! МэВ 1 1 “1 1 Электра-! 1 Ч8СКИЙ 1 1 заряд J !— 1 Bpeifa жизни, 1 с !
Гчос-1 енти-' 1 !тмг,а
Фотон, г г 0 0 Стабилен
Л Нейтрино елехтрон- ное 0 0 Стабильно
е п Нейтрино мюонное 0 0 Стабильно
т 0 Нейтрино тау-лал- тонкое Jr 0 0 Стабильно
н ы Электрон е~ е* 0,51 „т Стабилен
X 105,65 -I 2,2-10’*
Тау-лептон 27- | 1732 -I 3,4-10’“
М е Пи-мезоны (пионы) Я* ST* S’” ГТ34>95 139*57 0 I ?;»'
3 Ка- мезоны К* К' 493,67 I . 1,24-10’,*
0 (каоны) Г4 497,7 ! 0 к;-3,9-10-“.
н ы Эта-нуль-ые:с:? Q* 548,8 0 к’-б^в-Ю'* 7- 10'"
Нук- Протон Р Р 938,28 I Стабилен
Б лоны Нейтрон п п 939,57 0 918
а Р Г Гиперон и ЛЯМБДА л' Г 1115,6 0 2,63-10’*
и п Гиперон V 1139,37 I 8-10’“
0 в сигма V 1192,48 0 5,8-10'"
н ы Р ° н Гиперон £ г 1197,35 1314,9 -I 0 1,48-10’" 2,90-10'*
ы КСИ 1321,3 -I 1,64-10-*
1 Омега-ми- нус-гиперон Л’ Я- 1672,2 -I 8,2-10'“
230
Блок 20
162. ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ
Все частицы способны взаимодействовать друге другом. Различа-
ют четыре типа фундаментальных взаимодействий:
гравитаиионное. электромагнитное, сильное, слабое.
Механизм всех фундаментальных взаимодействий—обменный, т.е.
силы, действующие между двумя частицами, осуществляются в
результате их обмена промежуточной частицей — переносчиком
взаимодействия.
1 Гравитационное взаимодействие проявляется в виде сил все-
мирного тяготения между всеми телами Вселенной.
Переносчиками являются гравитоны, которые на сегодняшний
день не найдены.
21 Электромагнитное взаимодействие характерно для
электрически заряженных частиц, которые обмениваются фото-
нами.
Ядра и электроны взаимодействуют друг с
другом посредством электромагнитного поля,
квантами которого являются фотоны.
3. Сильное взаимодействие свойственно мезонам и барионам.
®=®
л -мезоны
Взаимодействие между протонами и
нейтронами осуществляется Л— мезонами —
квантами ядерного поля.
Согласно современным воззрениям — все сильно взаимодействую-
щие элементарные частицы — мезоны и барионы — построены из
кварков — истинно элементарных частиц. Кварки были об-
наружены внутри протонов и нейтронов, но не найдены в свободном
состоянии.
ГЛЮОНЫ
При сильном взаимодействии обмен между
кварками происходит за счет глюонов.
4. Слабое взаимодействие характерно для всех частиц, кроме фо-
тонов. Слабое взаимодействие также свойственно лептонам и
кваркам.
Взаимодействие между кварками и лептонами
— осуществляется при слабом взаимодействии
бозоны ТК '; W~; Я0— бозонами.
Сегодня общее число элементарных частиц вместе с античастица-
ми превышает 350. Из них более 80 стабильные частицы с временем
жизни не менее 10~17 с и более 200 короткоживущие - резонансы, с
временем жизни 10~23 с.
Блок 20
231
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ ПО БЛОКУ
"ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ”
Модуль 147. СПОСОБЫ НАБЛЮДЕНИЯ
ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ
1. Начертите схему устройства счетчика Гейгера—Мюллера и объ-
ясните принцип его работы.
2. Начертите устройство камеры Вильсона и объясните принцип
ее действия.
8. Объясните принцип действия пузырьковой камеры. Каковы
преимущества пузырьковой камеры перед камерой Вильсона?
4. В чем состоит сущность метода толстослойных фотоэмульсий?
5. Как устроен спинтарископ? Объясните сущность метода сцин-
тилляций.
Модуль 148. РАДИОАКТИВНОСТЬ
1Что называют радиоактивностью?
2. Каковы свойства и природа £Х-излучения,Д излучения, /-излуче-
ния?
8. Может ли радиоактивный элемент одновременно излучать СС-,
Длучи? В каких случаях излучаются /-лучи?
Модуль 149. ПРАВИЛО СМЕЩЕНИЯ
1. Сформулируйте и запишите правила смещения для бХ-распада.
2. Сформулируйте и запишите правила смещения для /3-распада.
3 Какие элементарные частицы испускаются при а- и Д распадах?
4. Какие из известных вам законов сохранения выполняются при
радиоактивных превращениях?
Модуль 150. ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА
1. Что называют периодом полураспада радиоактивного вещест-
ва? Что он характеризует?
2. Выведите формулу закона радиоактивного распада. Каков
характер этого распада?
8. Приведите примеры периодов полураспада некоторых
радиоактивных элементов.
4. Как выглядит график зависимости спада активности
радиоактивного элемента от времени?
Модуль 151. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА
АТОМНОГО ЯДРА
1 В чем сущность модели атомного ядра?
2. Каков физический смысл зарядового числа, равного
232
Блок 2Q
порядковому номеру химического элемента в таблице Менделе-
ева?
3. Каков физический смысл массового числа в модели атомного
ядра?
4. Как в ядерной физике обозначается любой химический элемент
с учетом зарядового и массового чисел?
5. Чему равен заряд и масса протона?
Модуль 152. ИЗОТОПЫ
1. Что называют изотопами химического элемента? Какие изотопы
называют стабильными, а какие радиоактивными?
2. Как называются изотопы водорода и как их обозначают?
3. Все ли химические элементы имеют изотопы?
4. Почему атомная масса многих химических элементов не
выражается целым числом?
Модуль 153. ЯДЕРНЫЕ СИЛЫ
1. Какие силы действуют между нуклонами в атомных ядрах?
2. Проявлением какого вида фундаментальных взаимодействий
являются эти силы?
8. Какими свойствами обладают ядерные силы притяжения?
Модуль 154. ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР
1.Что называют энергией связи атомного ядра?
2. Что называют дефектом массы? Объясните причину появления
дефекта массы при образовании ядра из отдельных нуклонов.
3. Напишите формулу дефекта массы.
4. По какой формуле определяется энергия связи атомного ядра?
5. Что называют удельной энергией связи? Ядра каких химических
элементов обладают максимальной удельной энергией связи?
Модуль 155. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
1. Что называют ядерными реакциями?
2. Что называют энергетическим выходом ядерной реакции? В ка-
ких случаях реакция идет с поглощением энергии, а в каких — с
выделением?
3. Кто и когда осуществил ядерную реакцию, экспериментально
подтвердившую, что в состав атомных ядер входят нейтроны?
Модуль 156. ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА
L Что называют делением ядра? Каковы особенности этого
процесса?
Блок 20
233
2. Как объяснить способность тяжелые ядер к делению? Почему
тгри делении ядер происходит выделение энергии?
8. Опишите механизм деления ядра урана и напишите уравнение
данной ядерной реакции бомбардировки.
4. Перечислите,что образуется при деле!гни ягдра урана.
Модуль 157. ЦЕПНЫЕ ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
1Что называют цепной ядерной реакцией?
2. Благодаря чему оказалось возможным существование цепной
ядерной реакции деления?
8. Что называют коэффициентом размножения нейтронов?
4. Чем вызвана необходимость замедления нейтронов, испускае-
мых при делении ядер?
5. Изобразите графически и объясните процессы, происходящие
при цепной ядерной реакции.
6. Перечислите условия протекания цепной ядерной реакции в
уране-235.
Модуль 158. ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР
1.Что называют ядерным реактором?
2.Что является ядерным горючим в реакторах?
8. Какое вещество служит, замедлителем нейтронов в ядерных
реакторах? Каково назначение замедлителя нейтронов?
4. Что используют в качестве теплоноеителявядерныхреакторах?
5. Что используется в системе управления ходом цепной ядерной
реакции деления?
6. Что применяется в системе биологической защиты от потока
нейтронов и y-излучения, возникающих в реакторе?
7. Расскажите о превращении внутриядерной энергии в
электрическую на АЭС.
Модуль 159. ТЕРМОЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
1. Какие реакции называют термоядерными? Как иначе называю г
термоядерные реакции?
2. Чем объяснить,что при синтезе легких ядер выделяется энергия?
3 Каковы условия осуществления ядерной реакции синтеза, т.е.
термоядерной реакции?
4. Приведите примеры термоядерных реакций и напишите их
уравнения.
5. Сравните энергию, приходящуюся на один нуклон при
термоядерной реакции и при цепной ядер гой реакции.
6, Что сулит человечеству управляемая термоядерная реакция?
Блок 20
Модуль 160. ДОЗА ОБЛУЧЕНИЯ
1. Что называют поглощенной дозой излучения? Какая формула
выражает смысл данного понятия? Какова единица измерения по-
глощенной дозы излучения в СИ?
2. Что называют мощностью поглощенной дозы излучения? Какая
формула выражает смысл этого понятия? Какова единица из-
мерения мощности поглощенной дозы излучения в СИ?
З. Что называют экспозиционной дозой излучения? Каковы единицы
ее измерения7
4 Что понимается под мощностью экспозиционной дозы излучения?
Каковы единицы ее измерения?
5. Что такое предельно допустимая доза облучения? Чему она равна?
G Какими приборами замеряют поглощенную дозу из лучения?
Модуль 161. ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ
1 Что такое элементарные частицы?
2 Каков главный факт существования элементарных частиц?
3 . Перечислите все стабильные элементарные частицы.
4 . Все ли элементарные частицы имеют античастицу? Чем отличается
античастица от частицы?
5 Какова классификация наиболее долгоживущих частиц7 (При от-
вете используйте таблицу элементарных частиц.)
Модуль 162. ТИПЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЧАСТИЦ
1. Какие типы фундаментальных взаимодействий вы знаете?
2 Что общего можно сказать о механизме всех фундаментальных
взаимодействий7
З. Что является переносчиком гравитационного взаимодействия?
4. Посредством чего осуществляется электромагнитное взаимодейст-
вие между заряженными частицами и что является переносчиком
взаимодействия7
5. За счет чего осуществляется взаимодействие между протонами и
нейтронами при сильном взаимодействии?
6. Что такое кварки?
7. За счет чего происходит обмен между кварками при сильном взаи-
модействии7
8. В чем заключается природа слабого взаимодействия?
9 Что является переносчиком слабого взаимодействия?
10. Согласно теории слабых взаимодействий опишите распад
нейтрона на электрон и антинейтрино.
11. Какие частицы называются частицами-резонансами?
235
ОСНОВНЫЕ ФОРМУЛЫ раздела
"ФИЗИКА АТОМА И АТОМНОГО ЯДРА”
ОСНОВЫ АТОМНОЙ ФИЗИКИ
mvr = rih
1. Правило квантования орбит
т — масса электрона
v — скорость электрона
г— радиус n-ой орбиты
п — номер орбиты
А = 1,05 • 10’34Дж • с
2. Частота излучения и поглощения света
.1 1.
2 >2)
.1 1.
1В1 .
Л = 3,27 • 101Б — -
С
постоянная Ридберга
п;к — номера орбит
Vkn — частота излучения
Vnk — частота поглощения
кг
м
с
м
Гц
Гц
ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
3. Закон радиоактивного распада
N=N02 Т N ~ число нераспавшихся радиоак- тивных ядер в момент времени t No — число нераспавшихся радиоак- тивных ядер в момент времени t = 0 Т — период полураспада с
4. Энергия связи атомных ядер
— энергия связи атомного Z — число протонов в ядре ядра Дж
Де« = Дмс2 Дм =zmp +Nmn +мл N — число нейтронов в ядре тр — масса покоя свободного протона a.ej\i.
Шп — масса покоя свободного нейтрона а.елл. Мл — масса покоя атомного ядра a.ejwL
РАЗДЕЛ 7
МАТЕК1АТИЧЕСКИЙ АППАРАТ ФИЗИКИ
Русский ученый ВАСтеклов писал: "Ни одна из естественных
1таук, если дело идет не о собрании сырого материала, а о дей-
ствительном творчестве, не обойдется без математики — матери
всех н'^ук. Что касается физики, поставленной впереди других
наук., то в настоящее время математика и физика до такой
степени слились в одно целое, что иногда трудно отделить — где
кончается физика и начинается математика”.
В данном разделе даются минимальные сведения из курса
математики, которые необходимы при изучении физики и при
решении физических задач.
СОДЕРЖАНИЕ 7-го РАЗДЕЛА
163. Закись числа в стандартном г ?де. Действия над
степенями десяти............................Г37
164. Приближенные вычисления в задачах по физ!н;ег ‘
165. Приставки и их множители для образования
десятичных кратных и дольных единиц..........239
166. Решение уравнений первой степени с одним
неизвестным..................................240
167. Квадратные уравнения. Неполные хсвг лратнне
уравнения. Система уравнений................241
168. Функция.............”..................242
169. Функции и их 17)? ’ икп (2 части).... 243
170. Углы. Угловые меры.....................245
171. Тригонометрические функции угла........246
172. Соотношения в прямоугольном и произвольном
треугольниках...............................247
173. И; ;ощади геометрических фигур.........248
174. Поверхностей объемыгеометр’1чгск..хтел .... 249
175. Проценты...............................250
176. Логарифмы..............................—
177. Производная............................251
178. Интеграл............................. 252
237
163. ЗАПИСЬ ЧИСЛА В СТАНДАРТНОМ ВИДЕ.
ДЕЙСТВИЯ НАД СТЕПЕНЯМИ ДЕСЯТИ
При изучении физики чаще всего приходится сталкиваться с
величинами (числами), которые либо много больше, либо много
меньше единицы.
Поэтому при работе с большими и малыми величинами необходимо
уметы
- записать любую величину в стандартном виде - в виде
произведения некоторого числа на число десять в соот-
ветствующей степени а • 10* где 1 а 10; п &Z;
- переносить запятую любого числа вправо или влево,
доводя его до стандартного вида;
- производить действия над ними.
1. Примеры записи числа в стандартном виде:
|а) 0,000025 = 2,5 • 10~6; 6)33000000 = 3,3 107
2. Примеры переноса запятой любогочйсла для приведения к стан-
дартному виду___________________________
а) 0,67 • 10"* 3 4 = 6,7 • 10"6; 67 • 1О’в = 6,7 • 10’6;
|б) 0,33 • 10е = 3,3,' 106; 33 • 104 = 3,3 • 10s
8. Свойства степени десяти:__________________
а) 10“ • 106 = 10“ +б; 6) ^ = 10“ 'ь; в) (10“)* = 10“*;
106
1 ___ *
г) — = 10'“; д) 10° = 1; е) W" = 10‘
Примеры выполнения действий над степенями десяти:
3 • 10~8
а)2 • 10'3 • 3 • 108 =6 • 106;6)-- =0,2 • 10 =2;
15 • 10~9
в) (108)2 = 1 • 1016; г) ——- = 0,2 • 106 = 2 • 106; д)^01Г=1 • 10Б.
5 • 10'6
4. Упражнения:
а) записать числа в стандартном виде:
поверхность Земли 510 083 000 000 000 м2;
диаметр молекулы воды 0,000 000 000 3 м;
б) определить, верны ли равенства:
0,002 • 10’6 =2 * 10”8; 325,300 • 106 =3,253 • 107;
. 10’8 (2-Ю’6)2-0,00043 А
в; вычислите “т— = ?;-----------------= ?.
2 0,43 -10"8
238
164. ПРИБЛИЖЕННЫЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ
В ЗАДАЧАХ ПО ФИЗИКЕ
1 Значащие цифры числа.
Значащими цифрами числа называются все его цифры, кроме
нулей, стоящих левее первой, отличной от нуля цифры, и нулей,
стоящих в конце числа, если они взяты взамен неизвестных или
отброшенных цифр.
Примеры:
а) 0,006304000 б) 8030000 = 803 • 103 4 * *
"Д —
незначащие значащая значащая незначащие
2 . Правила округления:
2.1 Если первая отбрасываемая цифра больше 4, то последняя
сохраняемая цифра увеличивается на единицу.
Например, при округлении до сотых. 46,2872 « 46,29.
22. Если первая отбрасываемая цифра меньше 4 или равна 4,
то последняя сохраняемая цифра не изменяется
Наггоимер, при округлении до сотых. 13,924 «13,92.
2.3 Если отбрасываемая часть числа состоит из одной цифры
5, то число округляется так, чтобы последняя сохраняемая
цифра была четной.
Нап^име^.^три округлении до десятых:
43>5 =43Д
3. Математические действия с приближенными числами —
правила подсчета цифр:
3.1. При сложении и вычитании в результате сохраняют столь-
ко десятичных знаков, сколько их содержится в числе с наи-
меньшим количеством десятичных знаков.
Пример 274,1 4-87,43 «361,5.
3 2 При умножении и делении в результате сохраняют столько
значащих цифр, сколько их имеет приближенное число с наи-
меньшим количеством значащих цифр (без нулей).
Примеры: а) 3,2 • 42,56 = 40,192 «40,2;
х 243,25
б)Л1Г^21’7’
33 Результат расчета значений функций хп; tfx; Igx неко-
торого приближенного числа х должен содержать столько
значащих цифр, сколько их имеет число х
Примеры: а) 3,142 = 9,8636 « 9,87; б) =5,4772 « 5,5.
3.4. Если некоторые приближенные числа имеют больше деся-
тичных знаков (при сложении или вычитании) или больше зна-
чащих цифр (при умножении, делении, возведении в степень,
извлечении корня), чем другие, то их предварительно следует
округлять, сохраняя только одну лишнюю цифру.
Примеры а) 103,7 -21,3385 «103,7 -21,34 «82,4;
б) 1,2 • 87,82 • 27,425 «1,2 • 37,8 • 27,4 «1,2 • 10®.
39
165. ПРИСТАВКИ И ИХ МНОЖИТЕЛИ ДЛЯ ОБРАЗОВАНИЯ
ДЕСЯТИЧНЫХ КРАТНЫХ И ДОЛЬНЫХ ЕДИНИЦ
При изучении физики приходится сталкиваться со слишком боль-
шими и слишком малыми физическими величинами. Поэтому
принято единицы измерения физических величин записывать с
помощью приставок.
Например: a) F = 5,12 МН = 5,12 • 106Н; б) d = 3 нм = 3 • 10’9м.
Таблица приставок и их множителей
Кратные Дольные
Приставка Обозначе- ние Множитель Пристав- ка Обозна- чение Множителе
экса э ю18 атто а 10’18
пета п 1016 фемто Ф 10’16
тера т 1012 пико п 10~12
гига г 109 нано н Ю’9
мега м 10е микро мк 10’6
кило к 103 милли м 10’3
гекто г 102 санти с 1(Г2
дека да 101 деци д 10'1
Для запоминания наиболее употребляемых в физике приставок
используется следующий мнемонический прием:
1) для уменьшительных приставок:
10 — милли (м)
Ю —микро (мк)
• 10~ 9 —нано (н) *
1Q-12 —ПИКО (П)
10-15 -фемто (ф)
Необходимо запомнить слово
"миминапифем" ! ,
по звучанию напоминающее
греческое.
2) для увеличительных приставок:
10 3
10 6
10 9
1012
— кило(к)
— мега (М)
— гига (Г)
— тера (Т)
Запомните слово
"кимегите” >
по звучанию напоминающее
японское.
Упражнения: 1 Преобразовать, используя множители
а И? = 1,2ГДж = ?; б) t = 3,6 нс = ?;
2. Преобразовать, используя приставки:
аН =0,000 003м = ?;б)р = 3600000Вт = ?
240
166. РЕШЕНИЕ УРАВНЕНИЙ ПЕРВОЙ СТЕПЕНИ
С ОДНИМ НЕИЗВЕСТНЫМ
Йтя решения уравнений необходимо уметы
освобождаться от знаменателя — записать уравнение в одну
строчку;
б) из уравнения, записанного в строчку, определить нужный
параметр.
а а
1. Решение уравнения вида: х = — или — = х
о о
(уравнение с дробью справа или слева).
__________Мнемоническое правило решения:_______
— ак — "Перенесем знаменатель в ту
ох — а часть уравнения, где его нет".
Примеры решения:
х F
а) а = —
. Я m
в) 77Т7Г = ЛЮБЛЮ =>Я = ЛЮБЛЮ X ВАС.
ВАС
л „ ас
2. Решение уравнения вида: т = ~~
о х
(уравнение с дробью справа и слева).
Мнемоническое правило решения:
X рУ
б) ^=7? =>рК=КТ;
"Перемножим обе части
Ь/ X ~~ уравнения крест -накрест".
Примеры решения:
ч Шг xPiPi Р2У2
а) — = — =><umi = «2^2; б)—— = —— =>рГ/1Т2 = Р2К2Г1;
аг mi Ti Тг
ч Я ЖЕЛАЮ
8)ВСЁМ “ЗДОРОВЬЯ ХЗДОРОВЬЯ = ВСЕМ XЖЕЛАЮ.
Решение уравнения вида: ах = вс
.линейное уравнение или уравнение, не имеющее дроби).
Мнемоническое правило решения:
Ьс
ах = ес =>х = —
__________________а
Примеры решения:
р х
&}р=пкТ =>к=—; б) я =астсозй>=>хт =----------
ПТ r COBffi
Т +У
в) СП —Т =У =>СП =Т +У =>П =-77-.
О
"Поделим на то, что находит-
ся радом с неизвестным .
241
167. КВАДРАТНЫЕ УРАВНЕНИЯ
Уравнение вида ах2 + Ъх + с = 0, где х—переменная; а, в, с—любое
число, причем а # О, называется квадратным. Выражение
Ь2 — 4ас называется дискриминантом и обозначается D.
D —Ь2 — 4ас
Корни квадратного уравнения находят по формуле:
-b +VD
*1;2 =----х---
2а
-ъ+Vd
1 D >0; Xi =-------; Х2 =------,
2а 2а
где Xi и Х2 — действительные различные числа.
Ъ
2 .D = 0, тогда xi = xz = — —.
Za
3 . D < 0 уравнение не имеет решений.
НЕПОЛНЫЕ КВАДРАТНЫЕ УРАВНЕНИЯ
Дано уравнение ах2 +bx +с
1 Если при С — 0, ах2 4- Ьх — 0, тогда
Ь
х(ах + Ь) =0 =0;х2 = “* —
2 . Если при в = 0, ах2 + с = 0
2 2 w.
ах = — с => х =----=>xif2 = ±
а
с
Решение возможно, если — X 0.
а
СИСТЕМА УРАВНЕНИЙ
При решении задач по физике необходимо уметь решать системы
двух или большего числа совместных уравнений.
При решении систем уравнений используются два основных спосо-
ба.
а) способ алгебраического сложения;
б) способ подстановки.
В физике чаще всего используется способ подстановки.
Пример* Найти массу воды, поднявшейся в капиллярной трубке
диаметром d.
площадь поперечного
сечения капилляра
высота поднятия
жидкости в капилляре
242
168. ФУНКЦИЯ
Переменная величина у называется функцией переменной х,
если каждому значению х соответствует одно или несколько
определенных значений у. Функция обозначается у =/(х).
Если при изменении одной величины изменится другая, то мы
имеем дело с функциональной зависимостью В физике функ-
циональная зависимость может быть задана формулами»
графиками, таблицами.
Прямая пропорциональная зависимость величины.
Если для любой пары соответствующих значений переменных
У
хну отношение — равно одному и тому же числу, отличному от
нуля, то переменная у прямо пропорциональна х.
У 1 -ь
— = к или у. — кх
X *
где к — коэффициент
пропорциональности;
х — аргумент, у — функция.
У1
J/2 2*2
V , У2 У1 _ У2
Если — — к и — — к, то----------
Х\ Х2 XI Х2 ,
Две величины, зависящие друг от друга так, что при увеличении
одной из них другая увеличивается в том же отношении, назы-
ваются пропорциональными
Пример Прямо пропорциональная зависимость пройденного
пути и времени при равномерном движении £ = vt.
s(m) 2 4 6 8 [10
7(c) |10 |20 |ЗО |40~|50
S1 _ <1
$2 tz
s , мч
7=»(0,2-)
2. Обратно пропорциональная зависимость величин.
Если для любой пары соответствующих значений переменных х
и у произведение ху равно одному и тому же числу, отличному от
нуля, то переменная у обратно пропорциональна переменной х.
_ к где к — коэффициент обратной
ху — к или у — ” , пропорциональности.
Если X\yi = А:ихъуъ ~к, то Х\у\ = хъуъ => —=—
|#2 У\
Две величины, зависящие друг от друга так, что при увеличении
одной другая в том же отношении уменьшается, называются
обратно пропорциональными.
Пример. Обратно пропорциональная зависимость давления га-
за от его объема при постоянной температуре р
с
У(м3) Ь • 10~3|4 • 10~31 8 • 10~3116 • 10~3 pv = 160Па • м3 Р1 = ^2
р(Па)8-104 4'104 2-Ю4 1-Ю4 Р1П =ргГг рг 71
243
169. ФУНКЦИИ И ИХ ГРАФИКИ (I ЧАСТЬ)
1. Линейная функция.
Линейной функцией называется функция, заданная формулой
— кх + b |, где х — аргумент; к, в — постоянные.
Ее график — прямая линия.
Например, дана функция у = 2х +1, рассмотрим частные слу-
чаи построения графиков этой функции:
а) построить график функции у = кх —
график прямой пропорциональности, ко-
торый является частным видом
уравнения у — кх +Ь при Ь =0, те со-
гласно примеру построить график функ-
ции у = 2Х.
Графиком является прямая линия,
образующая с осью абцисс угол
, У 1
tga = k=^=-=2
X 1
ч 2
б) построить график функции у — Ь (это
частный вид уравнения у = кх + Ъ при
к = 0), т.е. построить график функции
Графиком является прямая линия,
параллельная оси абцисс;
в)построить график функции у =кх + Ь, т.е. согласно примеру—
график функции у — 2х +• L
Графиком является прямая линия, образующая с осью абцисс
угол СС
2 График обратной пропорциональности.
Обратно пропорциональные величи-
ны х и у связаны соотношением
к
ху — к или у = —, причем к 0.
х
Например, построить график функ-
ции у =-.
Графиком является равносторонняя
гипербола.
244
ФУНКЦИИ И ИХ ГРАФИКИ (П ЧАСТЬ)
3. Квадратичная функция.
Квадратичной функцией называется функция, заданная
формулой!у = ах2 4- Ьх 4~где X — аргумент; а,в,с — посто-
янные, причем а О
Например, дана функция у = ^х2 ~ 4х 4-6, рассмотрим част-
ные случаи построения графиков этой функции:
а) в случае, если в *= с = 0, то у » ах2, то
. 1 о
есть имеем функцию у = —х .
Графиком является парабола,
проходящая через начало координат;
б) в общем случае у = ах2 + Ьх + с, то есть
имеем функцию у = —х2 -4x4-6.
Графиком данной функции является та-
кая же парабола, что и парабола у = -х2,
но вершина параболы будет находиться в
f Ъ 1 9
Сточке (— —: с 1 у =тх -4х +6,
2а 4а 2
гдеа =-;Ь =* — 4;с =6.
Вершина лежит в т.О' (4;—2),
.. 1—4—А=-й
2 2 4 2
4. Тригонометрические функции.
Тригонометрическими функциями называются функции, задан-
ные формулами: у = sinx; у = совх; у = tgx; у = ctgx,
а) график функции в) график функции у = tgx
у = sinx — синусоида
Л
о
/ Ь 4
т.к ( - — = —
2а
Г
г) график функции у = ctgx
б) график функции
у = совх — косинусоида
245
370. УГЛЫ. УГЛОВЫЕ МЕРЫ
1Углы.
часть плоскости,
ограниченная двумя полупрямыми, исходя-
щими из одной точки.
Двугранный угол — часть пространства,
ограниченная двумя пересек? ющимися по-
луплоскостями; линия их пересечения —
ребро.
Простое пственный. или телесный,.
у —часть пространства, ограниченная
кс.шчсской поверхностью.
Единицей измерения телесного угла явля-
ется 1 ср (стерадиан) — телесный угол с
вершиной в центре > реры, вырезающий на
ней ча^тъ, плеч? дв которой равна
квадрату се радиуса.
2. Угловые меры.
Углы вычажглотея в градусных и дуговых мергк.
а) градусные меры.
Единицей служит градус (1°), то есть 1/90 часть прямого угла.
В соолзетствии с этим полная окружность содержит 360й;
б) дуговая мера.
Единицей служит 1 радиан Спад) —
центральный угол, длина дуги которого
равна радиусу, т.е. если I — г, то
^7 = 1 рад.
3. Переход из градугис \ меры в радианную, и наоборот:
а) 1° =—рад ~О/о175рзд Угол а в радианах равен числу
L___I0U___'__________
0,0175, умноженному на угол в градусах.
Например, угол # = 20°, выраженный в радианах, равен
0,0175 • 20° =0,35рад;
ч 18С? А , ,,
б) [1р ад =-^-^57 18 45
Угол СС в градусах равен числу 57,
умноженному на угол в радианах.
Например, угол а «1,6 рад, выраженный в градусах, равен
57-1,5рад^85,5°.
246
171. ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ УГЛА
Основные тригонометрические функции:
синус sin; косинус cos; тангенс tg; котангенс ctg.
с — гипотенуза,
(X а, в — катеты.
л Хе
Функ
Утлы
дни
0°
80°
45”
а
81ПбХ= —
С
F
cosa=—
_______с_
а
(9а=?
л
ctga = —
tt
sinCt 0
cosal
tga 0
ctga—
0,5
^=1,73
60° 90° 180°
^ = 0,87 1 0
0,5
VT=1,73
0 1
Если угол больше 90°, но меньше 360°, то его тригонометрические
функции определяются следующим образом:
находится разность между данным углом и ближайшим к нему из
углов 180° и 360°, затем вычисляется нужная функция от этой
разницы, а перед результатом ставится знак или
Примеры:в1п300° = — ввйкДтаккакЗбО0 —300° =60°); IV четверть
cos!45° = — cos35° (так как 180° —145° — 35° ); П четверть
/р230° = + tg 50° (так как 230° -180° = 5(Г ); Ш четверть
Линии sin; cos; tg; ctg для отсчета углов и их знаки в различных
четвертях окружности:
ия ОВ подвижного
диаметр.
ОА подвижного
иетр (в соответ-
ЕуАЕг — линия
котангенса
247
172. СООТНОШЕНИЯ В ПРЯМОУГОЛЬНОМ И
ПРОИЗВОЛЬНОМ ТРЕУГОЛЬНИКАХ
а csina а = btga
b = ccosa Ь =actga
с2 = а2 4- Ъ2 - теорема Пифагора
а, в - катеты; с - гипотенуза; ОС - угол между сторонами в, с
Свойства прямоугольного треугольника:
ас: а — а: с; Ъс: Ь = Ь bc: he — he: ас >
где ас; Ьс - проекции катетов а, в на гипотенузу с.
соотношения в произвольном треугольнике
а, в, с - стороны треугольника
С^Д у- углы треугольника
с
йе I Рс\
С
sin# _ sin/? _ siny
a b с
a2 = b2 + с2 ~~ 2bccosa
b2 = а2 + с2 — 2accos/?
с2 = a2 + b2 — 2abcosy
- теорема синуса
- теорема косинуса
S = а • Ь
площадь и объем тела
У = а *h=S -h
окружность и круг
D - диаметр окружности
R - радиус окружности
I = 2лК —JTI) - длина окружности; S =ЛК
- площадь круга
:________________________________£
248
173. ПЛОЩАДИ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ФИГУР
1. Квадрат 2. Прямоугольник 8. Треугольник
5=аг S-lh
4. Прямоугольный
треугольник
6. Окружность и круг
а&
S=XT
5, Трапеция
s
4
I длина
окружности
8. Параллелограмм
S — lh — ahincc
11. Сектор
9. Ромб
12. Сегмент
&=—
360°
_7lr№ l(r-h)
~ ЗбОР 2
249
174. ПОВЕРХНОСТИ И ОБЪЕМЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ТЕЛ
S=6a2
V = a3
3. Параллелепипед
5 = 2(ab + ас + Ьс)
V ~аЪс
4. Конус 5- Усеченный конус 6. Пирамида
7. Цилиндр 8. Полый цилиндр(труба) 9. Тор (баранка)
S =4л?Яг
$бон — ZJtrl
&пол — *4* т)
V=m*l
= 27l2Ar2
250
175. ПРОЦЕНТЫ
Процентом числа называется сотая часть этого числа.
1 Нахождение процента данного числа.
Чтобы найти процент от числа А, нужно умножить его на число
А • р
процентов р и разделить на 100, т.е. .
11XJ
2. Нахождение числа по данным процентам.
Чтобы найти число по данной величине а его процента р, следу*
ет разделить число а на число процентов р и умножить на 100,
а
т.е. — • 100.
р
3. Процентное отношение двух чисел.
При нахождении процентного отношения числа а к числу в
а
необходимо вычислить отношение — и умножить на 100.
в
176. ЛОГАРИФМЫ
1 Логарифмом числа N > 0 по основанию а > 0 называется по-
казатель степени х, в которую нужно возвести основание а, что-
бы получить число N, т е.____________
х ~ k>ggN, то ах —N или qlogfl^ = Я
Пример: log20,25 = — 2, так как 2“2 = ~ = — = 0,25.
Основные свойства логарифмов (при а>0;а^1;&>0;с>0 ):
1 logaftc) =loga6 +logaC 4. logab =; —; С 5* 1
logc»
Ъ 1
2.10ga_ = 10gab — logaC 5.logafc = z-J Ь 1
C 10g$a
3.10ga pbq = ~10ga&
2. В практических вопросах употребляют логарифмы с основа-
нием, равным 10, которые называются десятичными ло-
гарифмами.
logipy
3. В теории приняты натуральные логарифмы Основанием на-
туральных логарифмов является число е — 2,71828... Логарифмы
обозначаются знаком In.
Переход от натуральных логарифмов к десятичным со-
вершается по формулам
IgN = 0,43 429 InV; 1пЯ = 2,30 IgN
251
177. ПРОИЗВОДНАЯ
Средней скоростью изменения функции на промежутке
[хо; х] — (ас®; х -г Дс] называют отношение приращений функций и
независимого переменногоит.е, д _ ч
Ас Ас
Предел средней скорости при стремящемся к нулю
приращении независимого переменного, т.е. hm л - на-
зывают скоростью изменения функиии в точке х0. Для нее
принято название производная. Производиая функции J в точке
х0 обозначается j (Хо\
Механический смысл производной:
Если задана функция £ — J(t), с по-
. мощью которой можно определить
" положение точки для любого момен-
— » • —- <—— та времени, то движение считается
О I заданным, а уравнение S =J\t) ~
уравнением движения.
Итак, в момент t точка находится в т М на расстоянии
ОМ = 5 Рассмотрим момент t 4-Д£, когда точка находится в
тMi на расстоянии ОМ\ =S + A$i —J\t + At) от т.О. За время At
точка прошла расстояние /^^о^с^е^ней^^коростью:
Vcp = = At
Предел средней скорости за промежуток времени At, когда
At стремится к нулю, называется скоростью точки в дан-
ный момент времени.
As ,/хч
Итак, v = hm vCp — lim -yr = S (t).
„ At-*o At-*o
Скорость движущейся точки в данный момент времени — есть
производная от пути по времени, а производная скорости по
времени — ускорение
При решении задач по физике используются следующие
производные. (с)' =0;с = const (Х')=1 («")' =ЖБ"-1 (sinjcy = cosOJ (cosjc') siniC (u±v)' =u' ±v’ (uvy =u’v +v'u (U\< ^'v-v’u
Пример. Зависимость координаты тела от времени дана формулой
x(t) = 10 + 4t — t2. Какова начальная скорость и ускорение тела?
252
178. ИНТЕГРАЛ
1. Неопределенный интеграл.
Дифференцируемая функция Р(х) называется первообразной для
функции дх) на данном промежутке, если цля всехзначений X из
этого промежутка справедливо равенство F (X)
Если на некотором промежутке Г(х) — первообразная дляДх), то
выражение J J\X)dx = F(X) 4- с называется неопределенным ин-
тегралом функции дХ),
где с — произвольная постоянная;
дХ) ОХ — подинтегральное выражение.
Основные правила интегрирования
f aj\x) dx = afj\ r) dx
J[/i(a?) ±f2(x)]dx =fji(x)dx ±fjz(x)dx
/Дох +b)dx = |f(ox +b) +c
Основные формулы интегрирования
rdx , , * a*
Jxndx = —— 4- c; J— = In x 4- c; fadx =------F c;
n -Fl x Ina
Jerdx — ex ; /sinxdx = — cosx 4- c; f cosxdx = sinx 4- c
2. Определенный интеграл.
Определенным интегралом на промежутке [а; в] от непрерывной
функции j\X) называется приращение F(e) “~ F(a) любой перво-
образной F этой функции на промежутке {я; в] й обозначается
где а, в - нижний и верхний пределы интегрирования.
Пример.
Скорость движения тела задана уравнением v = (З^2 4-
Найти путь, пройденный им за 6 с от начала движения.
2^.1
Решение: (2^ 4~i)dt = ^t3 =162см
253
ЛИТЕРАТУРА ДЛЯ УЧАЩИХСЯ
Справочники
1 Енохович АС. Справочник по физике. — Mj Просвещение,
1978.-415с.
2. Кабардин О Ф. Физика: Справочные материалы. Учеблособие
для учащихся. — М Лросвещение, 1985. — 359с.
3. Кошкин НИ, Ширкевич МГ. Справочник по элементарной
физике. — М Лаука, 1982. — 207с.
4. Марон В.Е, Городецкий ДН Физика: Законы, формулы, зада*
чи: Справочное пособие. — Минск: Высшлпсола, 1986. — 207с.
5. Пешков ЕО., Фадеев НИ. Технический словарь школьника. —
М; Учпедгиз МП РСФСР, 196L — 176с.
6. Справочник по элементарной математике, механике и физике.
— Минск: Наука и техника, 1971. — 216с.
7. Справочник по физике для поступающих в вузы /Под редЛЛДСа*
лабухова. — Киев: Наукова думка, 1968. — 360с.
Учебники и пособия
8. Буховцев Б.Б и др Физика: Учеб, для 9 кл.сред.шк. /БББухов-
цев, Ю.Л.Климантович, Г.Я.Мякишев. — 4-е изд. — М.:
Просвещение, 1988. — 271с.
9. Кикоин И.К, Кикоин АК. Физика: Учеб для 9 кл.сред.шк. — Мл
Просвещение, 1990. — 191с.
10. Мякишев Г Я, Буховцев Б Б. Физика: Учебдая 11 клхредшк. —
10-е изд. — М; Просвещение, 1989. — 319с., 2 ллл.
И. Палтьппев НН Как готовиться к выпускному экзамену по фи-
зике: Пособие для учащихся средних профтехучишищ. — Мл
Высш.школа, 1986. — 80с.
12. Перышкин АВ, Родина НА Физика: Учебдая 8 кл.сред.шк. —
10-'е изд., перераб. и доп. — М; Просвещение, 1989. — 191с.
13. Перышкин АВ, Родина НА Физика: Учебдая 7 кл.сред шк. —
10-е изд, перераб. — М.: Просвещение, 1989. — 175с.
14. Шахмаев НМ и др. Физика: Учебдая 9 кл.средшк. /Н МЛ1ах-
маев, С НШахмаев, ДДПДПодиев.—Мм Просвещение, 1990.— 239с.
254
ЛИТЕРАТУРА ДЛЯ ПРЕПОДАВАТЕЛЕЙ
1. Башарин В Ф. Мнемонические приемы — резерв осуществления еди-
ного уровня общего среднего физического образования //Сблаучтр:
Реализация единого уровня подготовки учащихся по физике в
средних профтехучилищах. — М; НИИ ПТП АПН СССР, 1987. С 36-49.
2. Башарин ВФ. К вопросу о научных основах построения и
применения свернутых конспектов для изучения физики //В сбла-
уч.тр: Актуальные вопросы методики преподавания физики в
средних ПТУ. - М: НИИ ПТП АПН СССР, 1989. С.17-39.
3. Башарин В Ф, Чугунова ГIL Преподавание темы "Электромаг-
нитная индукция" курса физики в средних профтехучилищах* Ме-
тодическое руководство. — М; НИИ ПТП АПН СССР, 1989.
4. Глазунов АТ и др Методика преподавания физики в средней
школе* Электродинамика нестационарных явлений. Квантовая
физика Пособие для учителя /А/Г.Глазунов, И.И.Нурминский,
ААЛинский, Под редААЛинского — Mj Просвещение, 1989.
5. Гурский H.IL Элементарная физика. — М; Наука, 1976.
6. Евграфова Н И., Каган В Л Курс физики*. Учебное пособие для
подготовительных отделений вузов.— Изд 2-е, перераб и доп. — Mj
Высшая школа, 1978.
7. Каменецкий С Б, Орехов ВIL Методика решения задач по физике
в средней школе: Кн.для учителя. — 3-е изд.,перераб — ML:
Просвещение, 1987.
8. Методика преподавания физики в 8—10 классах средней школы.
Ч.1/В П Орехов, АВ Усова, ИКТурышев; Под ред. ВЛ.Орехова,
АЗУсовой. — М: Просвещение, 1980.
9. Методика преподавания физики в средней школе: Молекуляр.фи-
зика. Электродинамика: Пособие для учителя /С.Я.Шамаш,
Э.Е.Эвенчик, ВАОрлов и др.; Под ред. СЯТПамана — 2-е изд,
перераб. — М; Просвещение, 1987.
10. Мустафаев РА, Кривцов ВТ. Физика. В помощь поступающим в
вузы: Учеб, пособие для слушателей подгот.отд.вузов. — М.:
Высш.шк, 1989.
11. Орехов В Л., Корж Э Д Преподавание физики в 9 кл.сред шк.: Посо-
бие для угителя — 3-е изд, перераб. — М.: Просвещение, 1986.
12 Преподавание темы "Свойства паров, жидкостей и твердых тел"курса,
физики в средних профтехучилищах* Экспериментальные ма-
териалы (автор — В.ФБашарин) — М: НИИ ПТП АПН СССР, 1987.
13. Преподавание темы "Магнитное поле” в курсе физики средних ПТУ:
Методические рекомендацйи (автор — КХЕШейбут) — М.: ПИИ
ПТП АПН СССР, 1988.
255
14. Преподавание темы "Световые волны" в курсе физики ПТУ. Мето-
дические рекомендации (автор — РЛИднатулловщод научной
редакцией В.ФБашарина). — М; НИИ ПТП АПН СССР, 1989
15. Преподавание темы "Электромагнитные колебания" в средних
ПТУ металлообрабатывающего и машиностроительного
профилей: Методические рекомендации (авторы — ГЛ.Чугуно-
ва и Н АЧиталин). - NL НИИ ПТП АПН СССР, 1989.
16, Преподавание темы "Электрическое поле" в курсе физики
средних ПТУ машиностроительного и металлообрабатывающе-
го профилей Методические рекомендации (автор — Л ЗЛисей-
чикова). - М: НИИ ПТП АПН СССР. 1987.
17. Пути и способы развития у учащихся профтехучилищ познава-
тельного интереса к физике в процессе учебной деятельности:
Методические рекомендации (автор — В ФБашарин). — М * НИИ
ПТП АПН СССР, 1984.
18. Резников ЛИ. Преподавание физики в'средних профтехучили-
щах* Методическое пособие. — М: Высшая школа. 1977.
19 Сена ЛА Единицы физических величин и их размерности Учеб-
но— справочное руководство. —• 3-е изд, перераб. и доп. — М.:
Наука. 1988.
20. Кухлинг X. Справочник по физике /Пер. с h$fi. — 2-е изд. — М *
Мир, 1985.
21. Физика в школе: Сблорматдокументов /Сост. НАЕрмолаева,
В АОрлов. — М.: Просвещение, 1987.
22. Цирульник Р.П., Шевенов БА, МунЧанова ЛД Об опыте
укрупнения дидактических единиц в организации ориентиров-
ки в учебном материале на уроке физики //Принцип укрупне-
ния знаний на школьных уроках. — Элиста, 1982. С.30-43.
23. Чертов АГ. Физические величины (терминология, определения,
обозначения, размерности, единицы): Справ.пособие. — М:
Бысш.шк., 1990.
24. Что нужно знать преподавателю физики профтехучилища дпя
реализации взаимосвязи общего и профессиональьогз
образования: Методические рекомендации (автор — ВФБа-
шарин). - Mj НИИ ПТП АПН СССР, 1987.
25. Шаталов В Ф и др. Опорные конспекты по кинематике и дина-
мике: Кн.для учителя. Из опыта работы В.Ф.Шаталова,
В.МЛТейман, АМХайт. — Mz Просвещение, 1989.
26. Эрдниев П.М. О современном состоянии исследоваштя проблемы
укрупнения дидактических единиц. //Укрупнение дидактиче-
ских единиц. Материалы третьей научно-практической кон-
ференции. Часть первая. — Элиста, 1982.0 6—7.
27. Яворский Б М., Селезнев ЮА Справочное руководство по фи-
зике для поступающих в вузы и самообразования — М.: Наука,
1984.
Шариймн Актакзяиовнч Горбушин
АЗБУКА ФИЗИКИ
Опорные конспекты для изучения физики за курс средней
общеобразовательной школы.
Экспериментальные материалы.
редактор Т А Поздеева
Оформление В. В. Рубцова
Технический редактор В Ф Песоцкая
Корректоры Н И.Абдасова^В. С. Уразаевз
Книга набрана и сверстана на настолько—издательском комплексе ВП "ПИК”
Подписано в печать 1510.92. Формат 84 Х108/32- Бумага газетная. Усллечл. 12,44.
Услжр.-отт. 13,86. Уч.-изд. л. 1323. Тираж 100 000 экз. Заказ №0061 "С” №39.
Издательство ’'Удмуртия*. 426057. Ижевск, ул. Пастухова, 13. Ижевский по-
лиграфкомбинат 426000, Ижевск, Воткинское шоссе, 10-й км
Отзывы и пожелания просим присылать по адресу. 420063. г. Казань,
ул Исаева, д. 12, НИИ среднего специального образования Российской
академии образования, лаборатория естественно-математической
подготовки.