Вопрос №1

1

Все вещества состоят из отдельных мельчайших частиц: молекул и атомов. Молекула - это мельчайшая частица вещества, обладающая свойствами этого вещества. Так, молекула сахара - сладкая, а соли - соленая. Молекулы состоят из атомов.

Твердое тело, агрегатное состояние вещества, отличительными признаками которого при нормальных условиях являются устойчивость формы и характер теплового движения структурных единиц твердого тела (атомов, ионов. молекул), совершающих малые колебания относительно некоторых фиксир. положений равновесия.

Свойства твердых тел определяются их химическим составом и зависят от характера межатомных связей, типа кристаллической структуры и степени структурного совершенства, а также от фазового состава. В зависимости от количества образующих их элементов твердое тело можно подразделить на простые (однокомпонентные) и сложные (многокомпонентные), которые, в свою очередь, могут представлять собой хим. соединения (неорг. или орг.) либо твердые растворы разл. типа (замещения, внедрения). Твёрдые тела классифицируют на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Особенности жидкого состояния вещества. Молекулы вещества в жидком состоянии расположены вплотную друг к другу. Поэтому объем жидкости мало зависит от давления. Постоянство занимаемого объема является общим свойством для жидкостей и твердых тел.

Возможность свободного перемещения молекул относительно друг друга обусловливает текучесть жидкостей. Тело в жидком состоянии не имеет постоянной формы. Форма жидкостей определяется формой сосуда где находится жидкость, действием внешних сил и сил поверхностного натяжения. В жидкостях происходит ускоренная диффузия, что обеспечивает растворение твердых веществ в жидкостях.

ГАЗЫ

Расстояние между атомами или молекулами в газах в среднем во много раз больше размеров самих молекул. Газы легко сжимаются, при этом уменьшается среднее расстояние между молекулами, но молекулы не сдавливают друг друга. Молекулы движутся с огромными скоростями — сотни метров в секунду. Сталкиваясь, они отскакивают друг от друга в разные стороны. Слабые силы притяжения молекул газа не способны удержать их друг возле друга. Поэтому газы могут неограниченно расширяться. Они не сохраняют ни формы, ни объема.

Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа.

Теплово́е движе́ние — процесс хаотического (беспорядочного) движения частиц, образующих вещество.

Температура (от лат. temperatura — надлежащее смешение, соразмерность, нормальное состояние), физическая величина, характеризующая состояние термодинамического равновесия макроскопической системы.

Вну́тренняя эне́ргия тела (обозначается как E или U) — это сумма энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекулы. Внутренняя энергия является однозначной функцией состояния системы.

Состояние термодинамической системы, в которое она самопроизвольно приходит через достаточно большой промежуток времени в условиях изоляции от окружающей среды, называется тепловым равновесием.

Внутренняя энергия тела зависит от средней кинетической энергии его молекул, а эта энергия, в свою очередь, зависит от температуры. Поэтому, изменяя температуру тела, мы изменяем и его внутреннюю энергию.При нагревании тела его внутренняя энергия увеличивается, при охлаждении уменьшается.

2

ВИДЫ ТЕПЛООБМЕНА:

Теплопроводность. Если внутри тела имеется разность температур, то

тепловая энергия переходит от более горячей его части к более холодной. Такой

вид теплопередачи, обусловленный тепловыми движениями и столкновениями молекул, называется теплопроводностью; при достаточно высоких температурах в твердых телах его можно наблюдать визуально. Так, при нагревании стального стержня с одного конца в пламени газовой горелки тепловая энергия передается по стержню, и на некоторое расстояние от нагреваемого конца распространяется свечение (с удалением от места нагрева все менее интенсивное).

Конвекция. Как мы уже говорили, при подводе тепла к жидкости или газу

увеличивается интенсивность движения молекул, а вследствие этого повышается

давление. Если жидкость или газ не ограничены в объеме, то они расширяются;

локальная плотность жидкости (газа) становится меньше, и благодаря

выталкивающим (архимедовым) силам нагретая часть среды движется вверх (именно поэтому теплый воздух в комнате поднимается от батарей к потолку). Данное явление называется конвекцией. Чтобы не расходовать тепло отопительной системы впустую, нужно пользоваться

современными богревателями, обеспечивающими принудительную циркуляцию воздуха.

Лучистый теплообмен. Третий вид теплопередачи – лучистый теплообмен –

отличается от теплопроводности и конвекции тем, что теплота в этом случае может передаваться через вакуум. Сходство же его с другими способами передачи тепла в

том, что он тоже обусловлен разностью температур. Тепловое излучение – это один

из видов электромагнитного излучения. Другие его виды – радиоволновое, ультрафиолетовое и гамма-излучения – возникают в отсутствие разности температур.

КОЛИЧЕСТВО ТЕПЛОТЫ:

Количество теплоты — энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче. Количество теплоты является одной из основных термодинамических величин. Количество теплоты является функцией процесса, а не функцией состояния, то есть количество теплоты, полученное системой, зависит от способа, которым она была приведена в текущее состояние.

Внутренняя энергия тела может изменяться за счет работы внешних сил. Для характеристики изменения внутренней энергии при теплообмене вводится величина, называемая количеством теплоты и обозначаемая Q.

Количество теплоты, передаваемое от одного тела к другому, может идти на нагревание тела, плавление, парообразование, либо выделяться при противоположных процессах – остывании тела, кристаллизации, конденсации. Теплота выделяется при сгорании топлива.

Между массой вещества и количеством теплоты, необходимым для его нагревания, существует прямая пропорциональная зависимость.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ:

Удельная теплоёмкость вещества – физическая величина, показывающая количество теплоты, необходимое для изменения температуры 1 кг этого вещества на 1 °С.

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ:

Изменение внутренней энергии системы равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, полученного системой:

Из этого уравнения следует, что если систему тел изолировать от внешних воздействий, то ее внутренняя энергия будет оставаться неизменной, несмотря ни на какие процессы, происходящие внутри системы.

Действительно, в этом случае A = 0 и Q = 0. Поэтому AU = 0. Но если изменение внутренней энергии равно нулю, то, значит, внутренняя энергия является величиной постоянной.

Итак,

При любых процессах, происходящих в изолированной системе, ее внутренняя энергия остается неизменной.

В этом заключается закон сохранения внутренней энергии. Сохранение внутренней энергии у изолированной системы означает вечность теплового движения частиц, из которых состоит эта система.

УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА:

Применим закон сохранения внутренней энергии к изолированной системе, состоящей из двух тел с разной температурой. При контакте этих тел между ними начнет происходить теплообмен. В процессе теплообмена более горячее тело будет отдавать энергию, а менее нагретое - ее получать. Это будет происходить до тех пор, пока температура тел не станет одинаковой. Так как суммарная внутренняя энергия этих тел должна сохраняться, то, на сколько внутреняя энергия уменьшится при этом у одного тела, точно на столько же она возрастет у другого тела. Но изменение внутренней энергии каждого из этих тел равно количеству теплоты. Поэтому количество теплоты, отданное при теплообмене более горячим телом, будет равно по модулю количеству теплоты, полученному менее горячим телом:

Qпол = |Qотд|

Это уравнение называют уравнением теплового баланса.

3

Кипе́ние — процесс парообразования в жидкости (переход вещества из жидкого в газообразное состояние).

Температу́ракипе́ния— температура, при которой происходит кипение жидкости

Снижая давление, мы понижаем температуру кипения.

Влажность — показатель содержания воды в физических телах или средах.

Абсолютная влажность — количество влаги, содержащейся в одном кубическом метре воздуха.

Относительная влажность—отношение массовой доли водяного пара в воздухе к максимально возможной при данной температуре. Измеряется в процентах и определяется по формуле:

4

• Агрегатное состояние вещества. Испарение и конденсация Удельная теплота парообразования. Плавление и отвердевание. Удельная теплота плавления.

Агрегатное состояние вещества - — состояние вещества, характеризующееся определёнными качественными свойствами

Агрегатное состояние

Твердое тело Газ Плазма

Жидкость

• Твердое тело-Состояние, характеризующееся способностью сохранять объём и форму. Атомы твёрдого тела совершают лишь небольшие колебания вокруг состояния равновесия.

• Жидкость - Состояние вещества, при котором оно обладает малой сжимаемостью, то есть хорошо сохраняет объём, однако не способно сохранять форму. Жидкость легко принимает форму сосуда, в который она помещена. Атомы или молекулы жидкости совершают колебания вблизи состояния равновесия, запертые другими атомами, и часто перескакивают на другие свободные места.

• Газ - Состояние, характеризующееся хорошей сжимаемостью, отсутствием способности сохранять как объём, так и форму. Газ стремится занять весь объём, ему предоставленный. Атомы или молекулы газа ведут себя относительно свободно, расстояния между ними гораздо больше их размеров.

• Плазма - Часто причисляемая к агрегатным состояниям вещества плазма отличается от газа большой степенью ионизации атомов.

Испарение и конденсация. Удельная теплота парообразования.

Испарение — процесс перехода из жидкого агрегатного состояния в газообразное.

Конденсация — обратный процесс испарению, т. е. Процесс перехода из газообразного состояние в жидкость.

Удельная теплота парообразования показывает, какое количество теплоты необходимо, чтобы превратитъ в пар 1 кг данного вещества при температуре кипения. Единица удельной теплоты парообразования в системе СИ: [ L ] = 1 Дж/ кг

Количество теплоты, необходимое для перевода жидкости в пар в процессе кипения можно рассчитать по формуле: Q=Lm

Плавление и отвердевание. Удельная теплота плавления.

Плавление – это процесс, в котором вещества переходят из твердого состояния в жидкое.

Отвердевание – это процесс, в котором вещества переходят из жидкого состояния в твердое.

Удельная теплота плавления - количество теплоты, которое необходимо сообщить одной единице массы кристаллического вещества чтобы перевести его из твёрдого состояния в жидкое .То же количество теплоты выделяется при кристаллизации вещества

5

Удельная теплота сгорания топлива. Тепловые машины. КПД теплового двигателя.

Удельная теплота сгорания топлива — физическая величина, показывающая, какое количество теплоты выделяется при полном сгорании топлива массой 1 кг или объёмом 1 м³

КПД теплового двигателя — отношение совершённой полезной работы двигателя, к энергии, полученной от нагревателя. КПД теплового двигателя может быть вычислен по следующей формуле

,

где Qн— количество теплоты , полученное от нагревателя, Qх— количество теплоты, отданное холодильнику.

Тепловые машины.

Тепловые машины — устройство, преобразующее тепловую машину в механическую работу (тепловой двигатель) или механическую работу в тепло (холодильник).

Идеальная тепловая машина— машина, в которой произведённая работа и разница между количеством подведённого и отведённого тепла равны

6

Колебательными называют повторяющиеся в той или иной степени прцессы. колебания в механике - такие движения, при которых происходит повторение всех положений тела в пространстве. Если такое повторение происходит через одинаковые промежутки времени, то такие колебания называются периодическими. Период колебания – продолжительность (время) одного колебания. [T] =1с

Частота колебаний – число колебаний в единицу времени. v=1/Т; [v] = 1 Гц Смещение – отклонение тела от положения равновесия. Амплитуда колебаний – максимальное по модулю смещение тела от положения равновесия. В пружинном маятнике в положении равновесия:

1) Сила упругости равна нулю 2) Скорость максимальна При x=A: 1) Скорость равна нулю 2) Сила упругости максимальна Гармоническими называют колебания, которые происходят под действием силы, пропорциональной смещению и направленной в сторону, противоположную смещению. Колебания шарика на пружинке являются гармоническими.

7

Полная механическая энергия системы в каждом из крайних положений:

E=Ek+Eп=0+kA^2/2=kA^2/2 Когда тело проходит положение равновесия его полная энергия

E=Ek+Eп= 0+ mV^2/2=mV^2/2

kA^2/2=mV^2/2

В реальных колебаниях kA1^2/2=kA2^2/2 + 2Q, где А1 и А2 – смещения в разных положениях.

Период колебаний пружинного маятника

8

1)Колебаниями в механике называют такие движения, при которых происходит повторение положения тела в пространстве через одинаковые промежутки времени.

2)Математический маятник – это подвешенный на тонкой невесомой нити груз, размерами которого можно пренебречь по сравнению с размерами нити.

3)Период колебаний – продолжительность (время) одного колебания. [T] – 1 секунда.

4)Гармоническое колебательное движение можно представить в виде графика зависимости координаты тела x от времени t.

5) Фаза колебаний — физическая величина, при заданной амплитуде и коэффициенте затухания, определяющая состояние колебательной системы в любой момент времени

9

Свободные колебания.

Свободные колебания – это колебания, которые происходят после однократного возбуждения без дополнительных внешних возбуждений.

Колебательные системы – системы тел, которые способны совершать свободные колебания.

Свободные колебания являются затухающими.

Затухающие колебания – колебания, амплитуда которых уменьшается с течением времени.

Собственная частота.

Собственная частота колебаний системы – частота ее свободных колебаний

Собственная частота системы не может быть произвольной. Она определяется для каждой конкретной системы.

Вынужденные колебания.

Вынужденные колебания – колебания, совершаемые под действием внешней периодически изменяющейся силы.

Вынужденные колебания происходят с частотой вынуждающей силы.

Амплитуда вынужденных колебаний растет с ростом амплитуды вынуждающей силы. Амплитуда вынужденных колебаний зависит также от частоты вынуждающей силы, она может быть любой.

Резонанс

Резонанс – явление резкого возрастания амплитуды колебаний в случае, когда частота вынуждающей силыvсовпадает с частотой собственных колебаний v0.

Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы.

График зависимости амплитуды вынужденных колебаний Ат от частоты вынужда­ющей силы υ представлен на рисунке, этот график называется резонансной кривой:

10

11

Звук— упругие волны, распространяющиеся в какой-либо упругой среде и создающие в ней механические колебания.

Инфразвук — упругие волны с частотой менее 16 Гц.

Гиперзвук — упругие волны с частотами от 10⁹ до 10¹²—10¹⁸ Гц.

Ультразвук — упругие волны с частотами от 20 кГц до 10⁹ Гц

Колебательная скорость — величина, равная произведению амплитуды колебаний частиц среды, через которую проходит периодическая звуковая волна, на угловую частоту:

v = Aω

Вынужденные колебания — колебания, происходящие под воздействием внешних сил, меняющихся во времени.

Скорость звука — скорость распространения упругих волн в среде. Скорость звука в однородной жидкости (или газе) вычисляется по формуле:

где   — адиабатическая сжимаемость среды;   — плотность.

Для газов эта формула выглядит так:

В однородных твёрдых телах могут существовать два типа объемных волн, отличающихся друг от друга поляризацией колебаний относительно направления распространения волны: продольная (P-волна) и поперечная (S-волна). Скорость распространения первой   всегда выше, чем скорость второй  :

где   — модуль всестороннего сжатия;   — модуль сдвига;   — модуль Юнга;   — коэффициент Пуассона. Как и для случая с жидкой или газообразной средой, при расчетах должны использоваться адиабатические модули упругости.

Гро́мкость зву́ка — субъективное восприятие силы звука (абсолютная величина слухового ощущения).

Уровень громкости звука — относительная величина. Она выражается в фонах и численно равна уровню звукового давления (в децибелах — дБ), создаваемого синусоидальным тоном частотой 1 кГц такой же громкости, как и измеряемый звук (равногромким данному звуку).

Высота звука — качество звука, определяемое человеком на слух и зависящее в основном от его частоты, т. е. от числа колебаний в секунду

Резона́нс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при приближении частоты внешнего воздействия к некоторым значениям (резонансным частотам), определяемым свойствами системы. Увеличение амплитуды — это лишь следствие резонанса, а причина — совпадение внешней (возбуждающей) частоты с внутренней (собственной) частотой колебательной системы

Дифра́кция во́лн  — явление, которое можно рассматривать как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. 

Дифракция волн наблюдается независимо от их природы и может проявляться:

• в преобразовании пространственной структуры волн.

• в разложении волн по их частотному спектру;

• в преобразовании поляризации волн;

в изменении фазовой структуры волн.

12

Электризация тел т. е. возникновение в них электрического состояния, происходит при чрезвычайно разнообразных процессах, совершаемых с этими телами.

Электри́ческий заря́д — это физическая скалярная величина, определяющая способность тел быть источником электромагнитных полей и принимать участие в электромагнитном взаимодействии. Впервые электрический заряд был введён в законе Кулона в 1785 году.

Единица измерения заряда в СИ — кулон — электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за время 1 с. q=I*t

Элемента́рный электри́ческий заря́д, e, — наименьший электрический заряд, известный в природе. В квантовой механике элементарный заряд рассматривается как минимальная порция (квант) электрического заряда. Величина e элементарного электрического заряда была установлена прямыми измерениями Р. Милликена в 1909-1911 гг. и А. Ф. Иоффе в 1911-1913 гг.

Современное значение е: e = ≈ 1,6021892 ± 0,0000046 ×10^—19 Кл в системе СИ (и 4,803242±0,000014×10^—10 ед. СГСЭ в системе СГС). Элементарный электрический заряд тесно связан с постоянной тонкой структуры, описывающей электромагнитное взаимодействие.

Закон сохранения электрического заряда гласит, что алгебраическая сумма зарядов электрически замкнутой системы сохраняется.

13

Электрическое поле — одна из составляющих электромагнитного поля; особый вид материи, существующий вокруг тел или частиц, обладающих электрическим зарядом, а также при изменении магнитного поля (например, в электромагнитных волнах).

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее электрический ток.

Проводники́ — это тела, в которых имеются свободные носители заряда, то есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться внутри этих тел

Электри́ческий ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля

Сила тока (часто просто «ток») в проводнике — скалярная величина, численно равная заряду q, протекающему в единицу времени t через сечение проводника. Обозначается буквой

I=U/R

Исторически принято, что направление тока совпадает с направлением движения положительных зарядов в проводнике. При этом, если единственными носителями тока являются отрицательно заряженные частицы (например, электроны в металле), то направление тока противоположно направлению движения электронов

14

Носители электрических зарядов в металлах, электролитах и газах.

Электрический ток в металлах - это упорядоченное движение электронов.

Электрический ток в растворах (расплавах) электролитов - это направленное перемещение ионов обоих знаков в противоположных направлениях.

Электрический ток в газах - это упорядоченное движение ионов и электронов под действием электрического поля.

Электрическая цепь

Источники тока, потребители электроэнергии, соединенные провода и выключатель образуют электрическую цепь.

Потребители электроэнергии( приемники) – двигатели, лампы, всевозможные бытовые электроприборы.Провода необходимы для доставки электроэнергии от источника к потребителю.

Чтобы в цепи был электрический ток, она должна быть замкнутой.

Источники тока

Источники тока бывают различными, но не во всех из них происходит разделение положительно и отрицательно заряженных частей, которые накапливаются на полюсах источника. Один полюс источника заряжен положительно, другой отрицательно.

Химические источники тока – гальванические элементы и аккумулятор.

Механические источники тока –электрофорные машины.

Тепловые источники тока – термоэлектрические батареи.

Квантовые источники тока – солнечные батареи.

Электрическое напряжение

Электрическое напряжение между двумя точками – это скалярная физическая величина, равная отношению работы электрического поля по перемещению заряда между этими точками к величине этого заряда.

U=A/q[1В]

15

Закон Ома

Формулировка закона Ома

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению:

I = U / R; [A = В / Ом]

Ом установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника и обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника.

R = ρl / S,

где ρ - удельное сопротивление, l - длина проводника, S - площадь поперечного сечения проводника.

Удельное сопротивление

Удельным сопротивлением называется сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм. Удельное сопротивление обозначается буквой греческого алфавита р. Каждый материал, из которого изготовляется проводник, обладает своим удельным сопротивлением.

Электрическое сопротивление

Электрическое сопротивление проводника равно удельному сопротивлению материала, из которого этот проводник сделан, умноженному на длину проводника и деленному на площадь площадь поперечного сечения проводника:

R = р l / S,

где - R - сопротивление проводника, ом, l - длина в проводника в м, S - площадь поперечного сечения проводника, мм2.

16

Последовательное соединение

При последовательном соединении проводников (рис. 1.9.1) сила тока во всех проводниках одинакова:

I1 = I2 = I.

Рисунок

Последовательное соединение проводников

По закону Ома, напряжения U1 и U2 на проводниках равны

U1 = IR1, U2 = IR2.

Общее напряжение U на обоих проводниках равно сумме напряжений U1 и U2:

U = U1 + U2 = I(R1 + R2) = IR,

где R – электрическое сопротивление всей цепи. Отсюда следует:

R = R1 + R2.

При последовательном соединении полное сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников.

Этот результат справедлив для любого числа последовательно соединенных проводников.

Параллельное сопротивление

При параллельном соединении напряжения U1 и U2 на обоих проводниках одинаковы:

U1 = U2 = U.

Сумма токов I1 + I2, протекающих по обоим проводникам, равна току в неразветвленной цепи:

I = I1 + I2.

Этот результат следует из того, что в точках разветвления токов (узлы A и B) в цепи постоянного тока не могут накапливаться заряды. Например, к узлу A за время Δt подтекает заряд IΔt, а утекает от узла за то же время заряд I1Δt + I2Δt. Следовательно, I = I1 + I2.

Рисунок

Параллельное соединение проводников

Записывая на основании закона Ома

где R – электрическое сопротивление всей цепи, получим

1/R=1/R1+1/R2....

17

1)Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа. A= I*U*T

2)Мощность электрического тока равна работе, совершенной в единицу времени. P=A/T=U*I.

3)Закон Джоуля Ленца – Количество теплоты, выделяемое проводником с током прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивления проводника и времени. Q=A=I^2*R*T

18

19

20

21

22

Электромагни́тное по́ле — фундаментальное физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, представляющее собой совокупность электрического и магнитного полей, которые могут при определённых условиях порождать друг друга.

Электромагнитная волна - процесс распространения электромагнитного поля в пространстве. Электромагнитная волна представляет собой процесс последовательного, взаимосвязанного изменения векторов напряжённости электрического и магнитного полей, направленных перпендикулярно лучу распространения волны, при котором изменение электрического поля вызывает изменения магнитного поля, которые, в свою очередь, вызывают изменения электрического поля.

Свойства электромагнитной волны.

Частота - количество оборотов биона в единицу времени. Скорость света - скорость передачи вращений от одного биона к другому. Фаза - расположение одного из полюсов биона относительно линии распространения электромагнитной волны.

23

Свет – электромагнитная волна.

Свет – это волна.

Свет занимает очень узкую область на шкале электромагнитных волн.

Электромагнитные волны, которые могут быть созданы с помощью источников электрических колебаний, имеют частоты меньше 3*10^2 Гц и длины волн больше 100 мкн.

Длины световых волн, видимых глазом, находятся в пределах от 0,75 до 0,40мкм. К ним примыкают невидимые волны – инфракрасное излучение от 100 мкм до 0,75 мкм и ультрафиолетовое излучение – от 0,40 мкм до 10 нм.

Дисперсия света.

Дисперсия света – это зависимость скорости света в веществе от частоты световой волны и связанные с этим явления

Скорость электромагнитной волны в среде меньше, чем в вакууме: v=c/n. Следовательно показатель преломления n зависит от частоты световой волны.

Линейчатые оптические спектры.

Оптический спектр - спектр излучения или спектр поглощения оптического излучения.

ЛИНЕЙЧАТЫЕ СПЕКТРЫ -спектры оптические, состоящие из отд. спектральных линий; типичны для свободных атомов.Линейчатые спектры излучаются веществами в атомарном состоянии.

24

) Закон прямолинейного распространения света : в однородной прозрачной среде свет распространяется прямолинейно.

Закон отражения света : падающий и отражённый лучи лежат в одной плоскости с нормалью к отражающей поверхности в точке падения, и эта нормаль делит угол между лучами на две равные части.( угол отражения равен углу падения)

Первый закон преломления: отношение синуса угла падения к синусу угла преломления является постоянной величиной для данных двух сред:

, где  - относительный показатель преломления

Второй закон преломления: падающий луч, луч преломленный и перпендикуляр, проведенный в точку падения луча, лежит в одной плоскости.

Полное внутреннее отражение внутреннее отражение, при условии, что угол падения превосходит некоторый критический угол

Плоское зеркало: плоская поверхность, зеркально отражающая свет.

25

Линза —  деталь из оптически прозрачного однородного материала, ограниченная двумя полированными преломляющими поверхностями вращения, например, сферическими или плоской и сферической

Характеристики простых линз

В зависимости от форм различают собирающие (положительные) и рассеивающие (отрицательные) линзы. К группе собирательных линз обычно относят линзы, у которых середина толще их краёв, а к группе рассеивающих — линзы, края которых толще середины. Следует отметить, что это верно только если показатель преломления у материала линзы больше, чем у окружающей среды. Если показатель преломления линзы меньше, ситуация будет обратной. Например пузырёк воздуха в воде — двояковыпуклая рассеивающая линза.

Линзы характеризуются, как правило, своей оптической силой (измеряется в диоптриях), или фокусным расстоянием.

Для построения оптических приборов с исправленной оптической аберрацией (прежде всего — хроматической, обусловленной дисперсией света, — ахроматы и апохроматы) важны и иные свойства линз и их материалов, например,коэффициент преломления, коэффициент дисперсии, коэффициент пропускания материала в выбранном оптическом диапазоне.

Иногда линзы/линзовые оптические системы (рефракторы) специально рассчитываются на использование в средах с относительно высоким коэффициентом преломления (см. иммерсионный микроскоп, иммерсионные жидкости).

Виды линз: Собирающие:  1 — двояковыпуклая  2 — плоско-выпуклая  3 — вогнуто-выпуклая (положительный(выпуклый) мениск) Рассеивающие:  4 — двояковогнутая  5 — плоско-вогнутая  6 — выпукло-вогнутая (отрицательный(вогнутый) мениск)

Выпукло-вогнутая линза называется мениском и может быть собирательной (утолщается к середине), рассеивающей (утолщается к краям) или телескопической (фокусное расстояние равно бесконечности). Так, например линзы очков для близоруких — как правило, отрицательные мениски.

Вопреки распространённому заблуждению, оптическая сила мениска с одинаковыми радиусами не равно нулю, а положительна, и зависит от показателя преломления стекла и от толщины линзы. Мениск, центры кривизны поверхностей которого находятся в одной точке называется концентрической линзой (оптическая сила всегда отрицательна).

Отличительным свойством собирательной линзы является способность собирать падающие на её поверхность лучи в одной точке, расположенной по другую сторону линзы.

Основные элементы линзы: NN — оптическая ось — прямая линия, проходящая через центры сферических поверхностей, ограничивающих линзу; O — оптический центр — точка, которая у двояковыпуклых или двояковогнутых (с одинаковыми радиусами поверхностей) линз находится на оптической оси внутри линзы (в её центре). Примечание. Ход лучей показан, как в идеализированной (тонкой) линзе, без указания на преломление на реальной границе раздела сред. Дополнительно показан несколько утрированный образ двояковыпуклой линзы

Если на некотором расстоянии перед собирательной линзой поместить светящуюся точку S, то луч света, направленный по оси, пройдёт через линзу не преломившись, а лучи, проходящие не через центр, будут преломляться в сторону оптической оси и пересекутся на ней в некоторой точке F, которая и будет изображением точки S. Эта точка носит название сопряжённого фокуса, или просто фокуса.

Если на линзу будет падать свет от очень удалённого источника, лучи которого можно представить идущими параллельным пучком, то по выходе из неё лучи преломятся под бо́льшим углом и точка F переместится на оптической оси ближе к линзе. При данных условиях точка пересечения лучей, вышедших из линзы, называется фокусом F’, а расстояние от центра линзы до фокуса — фокусным расстоянием.

Лучи, падающие на рассеивающую линзу, по выходе из неё будут преломляться в сторону краёв линзы, то есть рассеиваться. Если эти лучи продолжить в обратном направлении так, как показано на рисунке пунктирной линией, то они сойдутся в одной точке F, которая и будет фокусом этой линзы. Этот фокус будет мнимым.

Мнимый фокус рассеивающей линзы

Сказанное о фокусе на оптической оси в равной степени относится и к тем случаям, когда изображение точки находится на наклонной линии, проходящей через центр линзы под углом к оптической оси. Плоскость, перпендикулярная оптической оси, расположенная в фокусе линзы, называется фокальной плоскостью.

Собирательные линзы могут быть направлены к предмету любой стороной, вследствие чего лучи по прохождении через линзу могут собираться как с одной, так и с другой её стороны. Таким образом, линза имеет два фокуса — передний изадний. Расположены они на оптической оси по обе стороны линзы на фокусном расстоянии от главных точек линзы.

При изложении характеристики линз был рассмотрен принцип построения изображения светящейся точки в фокусе линзы. Лучи, падающие на линзу слева, проходят через её задний фокус, а падающие справа — через передний фокус. Следует учесть, что у рассеивающих линз, наоборот, задний фокус расположен спереди линзы, а передний позади.

Построение линзой изображения предметов, имеющих определённую форму и размеры, получается следующим образом: допустим, линия AB представляет собой объект, находящийся на некотором расстоянии от линзы, значительно превышающем её фокусное расстояние. От каждой точки предмета через линзу пройдёт бесчисленное количество лучей, из которых, для наглядности, на рисунке схематически изображён ход только трёх лучей.

Три луча, исходящие из точки A, пройдут через линзу и пересекутся в соответствующих точках схода на A₁B₁, образуя изображение. Полученное изображение является действительным и перевёрнутым.

В данном случае изображение получено в сопряжённом фокусе в некоторой фокальной плоскости FF, несколько удалённой от главной фокальной плоскости F’F’, проходящей параллельно ей через главный фокус.

Далее приведены различные случаи построения изображений предмета, помещённого на различных расстояниях от линзы.

Если предмет находится на бесконечно далёком от линзы расстоянии, то его изображение получается в заднем фокусе линзы F’ действительным, перевёрнутым и уменьшенным до подобия точки.

Если предмет приближён к линзе и находится на расстоянии, превышающем двойное фокусное расстояние линзы, то изображение его будет действительным, перевёрнутым иуменьшенным и расположится за главным фокусом на отрезке между ним и двойным фокусным расстоянием.

Если предмет помещён на двойном фокусном расстоянии от линзы, то полученное изображение находится по другую сторону линзы на двойном фокусном расстоянии от неё. Изображение получается действительным, перевёрнутым и равным по величинепредмету.

Если предмет помещён между передним фокусом и двойным фокусным расстоянием, то изображение будет получено за двойным фокусным расстоянием и будет действительным,перевёрнутым и увеличенным.

Если предмет находится в плоскости переднего главного фокуса линзы, то лучи, пройдя через линзу, пойдут параллельно, и изображение может получиться лишь в бесконечности.

Если предмет поместить на расстоянии, меньшем главного фокусного расстояния, то лучи выйдут из линзы расходящимся пучком, нигде не пересекаясь. Изображение при этом получается мнимое, прямое и увеличенное, т. е. в данном случае линза работает как лупа.

Нетрудно заметить, что при приближении предмета из бесконечности к переднему фокусу линзы изображение удаляется от заднего фокуса и по достижении предметом плоскости переднего фокуса оказывается в бесконечности от него.

Эта закономерность имеет большое значение в практике различных видов фотографических работ, поэтому для определения зависимости между расстоянием от предмета до линзы и от линзы до плоскости изображения необходимо знать основную формулу линзы.

Ход лучей в тонкой линзе

Линза, для которой толщина принята равной нулю, в оптике называется «тонкой». Для такой линзы показывают не две главных плоскости, а одну, в которой как бы сливаются вместе передняя и задняя.

Рассмотрим построение хода луча произвольного направления в тонкой собирающей линзе. Для этого воспользуемся двумя свойствами тонкой линзы:

• Луч, прошедший через оптический центр линзы, не меняет своего направления;

• Параллельные лучи, проходящие через линзу, сходятся в фокальной плоскости.

Рассмотрим луч SA произвольного направления, падающий на линзу в точке A. Построим линию его распространения после преломления в линзе. Для этого построим луч OB, параллельный SA и проходящий через оптический центр O линзы. По первому свойству линзы луч OB не изменит своего направления и пересечёт фокальную плоскость в точке B. По второму свойству линзы параллельный ему луч SA после преломления должен пересечь фокальную плоскость в той же точке. Таким образом, после прохождения через линзу луч SA пойдёт по пути AB.

Аналогичным образом можно построить другие лучи, например луч SPQ.

Обозначим расстояние SO от линзы до источника света через u, расстояние OD от линзы до точки фокусировки лучей через v, фокусное расстояние OF через f. Выведем формулу, связывающую эти величины.

Рассмотрим две пары подобных треугольников: 1) SOA и OFB; 2) DOA и DFB. Запишем пропорции

Разделив первую пропорцию на вторую, получим

После деления обоих частей выражения на v и перегруппировки членов, приходим к окончательной формуле

где   — фокусное расстояние тонкой линзы.

Формула тонкой линзы

Расстояния от точки предмета до центра линзы и от точки изображения до центра линзы называются сопряжёнными фокусными расстояниями.

Эти величины находятся в зависимости между собой и определяются формулой, называемой формулой тонкой линзы (открытой Исааком Барроу):

где   — расстояние от линзы до предмета;   — расстояние от линзы до изображения;   — главное фокусное расстояние линзы. В случае толстой линзы формула остаётся без изменения с той лишь разницей, что расстояния отсчитываются не от центра линзы, а от главных плоскостей.

Для нахождения той или иной неизвестной величины при двух известных пользуются следующими уравнениями:

Следует отметить, что знаки величин  ,  ,   выбираются исходя из следующих соображений — для действительного изображения от действительного предмета в собирающей линзе — все эти величины положительны. Если изображение мнимое — расстояние до него принимается отрицательным, если предмет мнимый — расстояние до него отрицательно, если линза рассеивающая — фокусное расстояние отрицательно.

Изображения чёрных букв через тонкую выпуклую линзу с фокусным расстоянием f (отображаются красным цветом). Показаны лучи для букв E, I и K (синим, зеленым и оранжевым соответственно). Размеры реального и перевернутого изображения E (2f) одинаковы. Образ I (f) - в бесконечности. К (при f/2) имеет двойной размер виртуального и прямого изображения

26

Радиоактивность-явление самопроизвольного испускания некоторыми элементами излучения, способного проникать через слои вещества, непрозрачные для света.

Изото́пы — разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре. Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левогоиндекса, означающего массовое число (например, ¹²C, ²²²Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). 

Радиоакти́вныеизото́пы— изотопы, ядра которых нестабильны и испытывают радиоактивный распад. Большинство известных изотопов радиоактивны (стабильными являются лишь около 300 из более чем 3000 нуклидов, известных науке). У любого химического элемента есть хотя бы несколько радиоактивных изотопов, в то же время далеко не у всех элементов есть хотя бы один стабильный изотоп; так, все известные изотопы всех элементов, которые в таблице Менделеева идут после свинца, радиоактивны.

Радиоакти́вныйраспа́д — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер(заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов. Процесс радиоактивного распада также называют радиоакти́вностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют также вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Установлено, что радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (то есть начиная с висмута), и многие более лёгкие элементы (прометий и технеций не имеют стабильных изотопов, а у некоторых элементов, таких как индий, калий или кальций, часть природных изотопов стабильны, другие же радиоактивны).

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе.

Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

Энергетические спектры α-частиц и γ-квантов, излучаемых радиоактивными ядрами, прерывистые («дискретные»), а спектр β-частиц — непрерывный.

Нукли́д — вид атомов, характеризующийся определённым массовым числом,атомным номером и энергетическим состоянием ядер и имеющий время жизни, достаточное для наблюдения.

Нуклиды делятся на стабильные и радиоактивные (радионуклиды, радиоактивные изотопы). Стабильные нуклиды не испытывают спонтанных радиоактивных превращений из основного состояния ядра. Радионуклиды путём радиоактивных превращений переходят в другие нуклиды. 

Среди радионуклидов выделяются короткоживущие и долгоживущие. 

Эксперимент Резерфорда. Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгеромв 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 10⁷ м/с, но все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Они были открыты Резерфордом в 1899 году при изучении явления радиоактивности. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

Схема опыта Резерфорда по рассеянию α-частиц. K – свинцовый контейнер с радиоактивным веществом, Э – экран, покрытый сернистым цинком, Ф – золотая фольга, M – микроскоп

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу, по закону Кулона возросла бы в n² раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°. Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная модель атома. Рис. 6.1.3 иллюстрирует рассеяние α-частицы в атоме Томсона и в атоме Резерфорда.

Рассеяние α-частицы в атоме Томсона (a) и в атоме Резерфорда (b)

Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, диаметр которого не превышает 10^–14–10^–15 м. Это ядро занимает только 10^–12 часть полного объема атома, но содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Веществу, составляющему ядро атома, следовало приписать колоссальную плотность порядка ρ ≈ 10¹⁵ г/см³. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

27

Ядерные силы

Длина в ядерной физике измеряется в фемпометрах(фм), хотя физики называют ее ферми.

1фм = 10^-15 м.

Единица энергии – электровольт (эВ) – это энергия, которую приобретет покоящийся электрон, если попадет в электрическое поле и пролетит область с напряжением 1 вольт.

Между нуклонами (протонами и нейтронами) в ядре действуют силы притяжения, которые называют ядерными силами. Ядерные силы действуют на коротких расстояниях, порядка 1фм.

Связь нуклонов в ядре настолько велика,что требуется очень большая энергия, чтобы разорвать эту связь.

Энергия связи ядра

Энергия связи ядра – это энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны.

Наоборот, при образовании ядра из нуклонов выделяется энергия, равная энергии связи.

Внутренняя энергия ядра меньше совокупной внутренней энергии нуклонов, создавших это ядро, на величину (дельта E0)

Ядерные реакции

При искусственных ядерных реакциях необходимо сблизить частицу с ядром на очень малое расстояние, чтобы произошел захват частицы ядерными силами.

Во всех ядерных реакциях обязательно выполняются условия сохранения зарядового и массового чисел.

Потребляется или выделяется энергия – зависит от совокупного дефекта масс правой и левой частях уравнения ядерной реакции. Если в правой части дефект масс больше, то и энергия связи в образовавшихся ядрах больше, следовательно, такая реакция сопровождается выделением энергии.

28