5.Какие типы волн используются при описании волнового движения. Приведите примеры поперечных, продольных и стоячих волн в упругой среде.

Если в каком-либо месте упругой (твердой, жидкой или газообразной) среды возбудить колебания ее частиц, то вследствие взаимодействия между частицами это колебание будет распространяться в среде от частицы к частице с некоторой скоростью v. Процесс распространения колебаний в пространстве называется волной.

Частицы среды, в которой распространяется волна, не вовле­каются волной в поступательное движение, они лишь совершают колебания около своих положений равновесия. В зависимости от направления колебаний частиц по отношению к направлению, в котором распространяется волна, различают продольные и поперечные волны. В продольной волне частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны. В попереч­ной волне частицы среды колеблются в направлениях, перпендику­лярных к направлению распространения волны. Упругие попереч­ные волны могут возникнуть лишь в среде, обладающей сопротивле­нием сдвигу. Поэтому в жидкой и газообразной средах возможно возникновение только продольных волн. В твердой среде возможно возникновение как продольных, так и поперечных волн.

Рисунок 1

На рис. 1 показано движение частиц при распространении в среде поперечной волны. Номерами 1, 2 и т. д. обозначены час­тицы, отстоящие друг от друга на расстояние, равное 1/4vТ, т. е. на расстояние, проходимое волной за четверть периода колебаний,

совершаемых частицами. В момент времени, принятый за нулевой, волна, распространяясь вдоль оси слева направо, достигла час­тицы 1, вследствие чего частица начала смещаться из положения равновесия вверх, увлекая за собой следующие частицы. Спустя четверть периода частица 1 достигает крайнего верхнего положе­ния; одновременно начинает смещаться из положения равновесия частица 2. По прошествии еще четверти периода первая частица будет проходить положение равновесия, двигаясь в направлении сверху вниз, вторая частица достигнет крайнего верхнего положе­ния, а третья частица начнет смещаться вверх из положения рав­новесия. В момент времени, равный Т, первая частица закончит полный цикл колебания и будет находиться в таком же состоянии движения, как и в начальный момент. Волна к моменту времени T, пройдя путь vТ, достигнет частицы 5.

На рис. 2 показано движение частиц при распространении в среде продольной волны. Все рассуждения, касающиеся поведе­ния частиц в поперечной волне, могут быть отнесены и к данному случаю с заменой смещений вверх и вниз смещениями вправо и влево. Из рисунка видно, что при распространении продольной волны в среде создаются чередующиеся сгущения и разрежения частиц (места сгущения частиц обведены на рисунке пунктиром), перемещающиеся в направлении распространения волны со ско­ростью v.

Рисунок 2

Стоячая волна́ — колебанияв распределенных колебательных системах с характерным расположением чередующихся максимумов (пучностей) и минимумов (узлов)амплитуды. Практически такая волна возникает приотраженияхот преград и неоднородностей в результате наложения отражённой волны на падающую. При этом крайне важное значение имеет частота, фаза и коэффициент затухания волны в месте отражения. Возникновение стоячей волны - очень сложное явление и характерно тем, что возникнуть "по желанию"(нашему) практически не может, а вот с целью внести паразитное воздействие на какой-либо, интересующий нас процесс, - легко и свободно. Это тот же самый процесс резонанса, в результате которого рушатся мосты, когда по ним проходят в ногу солдаты. Но вот для того, чтобы непрерывно "тянуть" ноту в духовом инструменте (а получаемый звук и будет "стоячей волной") - нужно непрерывно и строго определенно дуть в этот инструмент.

Примерами стоячей волны могут служить колебанияструны, колебания воздуха в органной трубе; в природе — Шумана. Чисто стоячая волна, строго говоря, может существовать только при отсутствии потерь в среде и полном отражении волн от границы. Обычно, кроме стоячих волн, в среде присутствуют и бегущие волны, подводящие энергию к местам её поглощения или излучения.

6.Определите понятие теплоты и температуры. Как связанны эти величины, в каких единицах измеряются? Какие приняты шкалы температур? Как определяют температуру смеси? Каков смысл абсолютного нуля температур?

Самые основные понятия в описании тепловых явлений это — температура и теплота. В истории науки потребовалось чрезвычайно много времени для того, чтобы оба эти понятия были разделены, но когда это разделение было произведено, оно вызвало быстрый прогресс науки.

Температура – это степень нагретости тела.

Тепло – это энергия теплового движения частиц вещества. Теплота представляет собой одну из форм энергии, а поэтому должна измеряться в единицах энергии. В международной системе СИ единицей энергии является джоуль (Дж). Допускается также применение внесистемных единиц количества теплоты – калорий: международная калория равна 4,1868 Дж, термохимическая калория – 4,1840 Дж. В зарубежных лабораториях результаты исследований часто выражают с помощью т.н. 15-градусной калории, равной 4,1855 Дж. Выходит из употребления внесистемная британская тепловая единица (БТЕ): БТЕсредн = 1,055 Дж.

Температура тела есть его внутреннее тепло, и является мерой средней кинетической энергии хаотического поступательного движения его молекул.

Существуют следующие виды шкал измерения температур:

Градус Цельсия(обозначение: °C) — широко распространённаяединица измерения температуры, применяется вСИ, наряду скельвином.Градус Цельсия назван в честьшведскогоучёногоАндерса Цельсия, предложившего в1742 годуновую шкалу для измерения температуры. За ноль по шкале Цельсия принималасьточка плавленияльда, а за 100° —точка кипенияводыпри стандартном атмосферном давлении. (Изначально Цельсий за 100° принял температуру таяния льда, а за 0° — температуру кипения воды. И лишь позднее его современникКарл Линней«перевернул» эту шкалу). Эта шкала линейна в интервале 0—100° и так же линейно продолжается в области ниже 0° и выше 100°. Линейность является основной проблемой при точных измерениях температуры. Достаточно упомянуть, что классический термометр, заполненый водой, невозможно разметить для температур ниже 4 градусов цельсия, т.к. в этом диапазоне вода начинает снова расширяться.Первоначальное определение градуса Цельсия зависело от определения стандартного атмосферного давления, потому что и температура кипения воды и температура таяния льда зависят от давления. Это не очень удобно для стандартизации единицы измерения. Поэтому после принятия кельвина, в качестве основной единицы измерения температуры, определение градуса Цельсия было пересмотрено.Согласно современному определению, градус Цельсия равен одному кельвину, а ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температуратройной точкиводы равна 0,01 °C. В итоге, шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15:°C = K - 273,15

Градус Фаренгейта—единица измерения температурыс линейной шкалой. Долгое время шкала Фаренгейта была основной ванглоговорящихстранах, но в конце60-х— начале70-хгодовXX векаона была практически вытесненашкалой Цельсия. На шкале Фаренгейта точка таяния льда равна +32 °F, а точка кипения воды +212 °F (принормальном атмосферном давлении). При этом один градус Фаренгейта равен 1/180 разности этих температур. Диапазон 0°…+100° по шкале Фаренгейта примерно соответствует диапазону −18°…+38° по шкале Цельсия.

Кельвин (обозначение: K) —единица измерения температурывСИ, предложена в1848 году.Один кельвин равен 1/273,16термодинамической температурытройной точки воды. Начало шкалы (0 К) совпадает сабсолютным нулём. Кельвин по размеру совпадает сградусом Цельсия.Международный комитет мер и весовсобирается в2011году изменить определение кельвина, чтобы избавиться от трудновоспроизводимых условий тройной точки воды. В новом определении кельвин будет выражен черезсекундуи значениепостоянной Больцмана.До1968 годакельвин официально именовался градусом Кельвина.

Градус Реомюра(°R) — не употребляемая в наши дниединица измерения температуры. 1 °R равен 1/80 части температурного интервала между точками таянияльда(0 °R) и кипенияводы(80 °R), то есть 1 °R = 1,25°С. Предложен в1730 годуР. А. Реомюром.

Шкала Ранкина(измеряется в градусах Ранкина — °Ra) — ныне редко используемаяабсолютная температурная шкала, названа по имени шотландского физикаУильяма Ранкина(1820—1872).

Шкала Ранкина начинается при температуре абсолютного нуля, точка замерзания воды соответствует 491,67°Ra, точка кипения воды 671,67°Ra. Число градусов между точками замерзания и кипения воды по шкале Фаренгейта и Ранкина одинаково и равно 180.

Градус Делиля(обозначение: °Д или °De)— ныне неупотребляемаяединица измерения температуры. Была изобретена французскимастрономомЖозефом Николя Делилем (1688–1768).Петр Первыйпригласил французского астронома Жозефа Николя Делиля вРоссию, учреждаяАкадемию Наук. В 1732 году Делиль создалтермометр, использующийртутьв качестве рабочей жидкости. В качестве нуля была выбрана температура кипения воды. За один градус было принято такое изменение температуры, которое приводило к уменьшению объема ртути на одну стотысячную.Таким образом температура таяния льда составила 2400 градусов. Однако позже столь дробная шкала показалась избыточной, и уже зимой 1738 г. коллега Делиля по петербургской академии, медик Йозиас Вайтбрехт (1702–1747) уменьшил число ступеней от температуры кипения до температуры замерзания воды до 150.Шкала Делиля получила достаточно широкое распространение в России, и его термометры использовались около 100 лет. Этой шкалой пользовались многие российские академики, в том числеМихаил Ломоносов, который, однако «перевернул» ее с ног на голову, расположив ноль на точке замерзания, а 150 градусов — на точке кипения воды.

Температуру смеси можно определить с помощью различных термометров, конкретное измерение которых выводится в значениях заданной шкалы. Например, явление расширения веществ при увеличении температуры используется в газовых и жидкостных термометрах. В температурных индикаторах для измерения температуры тела (смеси) цвет жидких кристаллов оказывается различным при разной температуре. Измерение высоких температур проводится оптическим методом.

Абсолютный ноль температуры— это минимальный пределтемпературы, которую может иметь физическое тело. Абсолютный нуль служит началом отсчётаабсолютной температурной шкалы, например, шкалыКельвина. По шкалеЦельсияабсолютному нулю соответствует температура −273,15 °C.

Считается, что абсолютный нуль на практике недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяциинаблюдаемых физических явлений, при этом такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нулеэнергиятеплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то естьхаотическоедвижение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлахкристаллической решётки. Однако, на самом деле, даже при абсолютном нуле температуры регулярные движения составляющих вещество частиц останутся. Оставшиеся колебания, напримернулевые колебания, обусловлены квантовыми свойствами частиц ифизического вакуумаих окружающего.

В настоящее время в физических лабораториях удалось получить температуру, превышающую абсолютный нуль всего на несколько миллионных долей градуса, достичь же его, согласно законам термодинамики, невозможно.

7.Как развивалось представление о строении атомного ядра? Как связываются нуклоны в ядре атома? Как определяется энергия их связи, и от чего зависит? Характеризуйте реакции деления и синтеза ядер. Укажите, как они используются.

Идея о сложном строении атома была высказана еще в 1815 г. английским врачом У. Праугом. В химии выработалось учение о химическом элементе. В 1870 г. из сопоставления химических свойств элементов с их атомными весами Д.И. Менделеев представил свою периодическую таблицу. Открытие спектрального анализа в 1859 г. физиком Г. Киффордом и химиком Р. Бунзеным и периодического закона химических элементов наводили сомнения о неделимости атомов. Стало ясно, что сам атом – это сложная структура с внутренними движениями составных частей, ответственных за характерные спектры.

Дж. Томсон вслед за открытием электрона развил идею Кельвина. Атом – капля пудинга положительно заряженной материи, внутри которой распределены электроны, которые находятся в состоянии колебательного процесса. Из-за этих колебаний атомы и излучают электромагнитную энергию, что позволило объяснить дисперсию света, но и породило много вопросов. Исследуя на устойчивость разные конфигурации электронов, он хотел объяснить периодическую систему элементов. Эксперимент одного из его учеников Э. Резерфорда привел к ядерной модели строения атома.

Атомное ядро́ — центральная часть атома, в которой сосредоточена основная егомассаи структура которого определяетхимический элемент, к которому относится атом. Размеры ядер различных атомов составляют от одногофемтометра, что в 100 тысяч раз меньше размеров самого атома. Масса ядер примерно в 4000 раз больше массы входящих в атомэлектронови сильно зависит от количества входящих в него частиц иэнергии их связи.

Атомное ядро состоит из нуклонов— положительно заряженныхпротонови нейтральныхнейтронов, которые связаны между собой при помощисильного взаимодействия. Такое взаимодействие можно описать с помощью поля ядерных сил:

1)Ядерные силы являются короткодействующими. Их радиус Действия имеет порядок 10^-15м. На меньших расстояниях притяжение сменяется отталкиванием.

2)Сильное взаимодействие не зависит от заряда нуклонов. Ядерные силы между нуклонами имеют одинаковую величину. Это свойство называется зарядовая независимость.

3) Ядерные силы обладают свойством насыщения означающий, что каждый нуклон в ядре взаимодействует с ограниченным числом нуклонов.

По современным представлениям сильное взаимодействие обусловлено тем, что нуклоны виртуально (скрыто) обмениваются частицами (мезонами).

Энергия их связи определяется по формуле Эйнштейна E=mc²

Энергия связи зависит от массового числа элементов, чем больше энергии на один нуклон, тем больше устойчивость ядра. Самые устойчивые ядра с массовым числом около 60. Элементы с более низкими массовыми числами могут повышать свою устойчивость в результате увеличения их массового числа. Элементы с большими массовыми числами становятся более устойчивыми в результате уменьшения их массового числа, что и происходит в процессе расщепления ядер.

Ядерное деление – это процесс расщепления ядра тяжелого элемента на осколки или фрагменты.

Ядерный синтез – это слияние ядер более тяжелых элементов.

Ядерное деление сопровождается испусканием нейтронов. Каждое деление сопровождается потерей массы, обусловленных дефектом массы, например энергия, выделяемая вследствие этой потери массы составляет приблизительно 200 МэВ на одно делящееся ядро урана. Однако если количество делящегося вещества превышает некоторую критическую массу, Нейтроны захватываются прежде чем покинуть делящийся материал.

Реакция ядерного синтеза тоже в свою очередь сопровождается выделением энергии и испусканием нейтронов ²₁H(дейтерий) +³₁Н(тритий)→⁴₂Не +¹₀n+ энергия

Данные реакции используются для создания мощного оружия: атомных бомб, водородных бомб и тд.

В мирных целях эти реакции используют для получения электроэнергии на Атомных Электра Станциях и тд.