Билеты по физике за весь школьный курс

одинаковых фазах, называется длиной волны. Зависимость длины волны от

скорости и периода выражается как [pic], или же [pic]. При возникновении

волн их частота определяется частотой колебаний источника, а скорость –

средой, где они распространяются, поэтому волны одной частоты могут иметь в

разных средах различную длину. Процессы сжатия и разрежения в воздуха

распространяются во все стороны и называются звуковыми волнами. Звуковые

волны являются продольными. Скорость звука зависит, как и скорость любых

волн, от среды. В воздухе скорость звука 331 м/с, в воде – 1500 м/с, в

стали – 6000 м/с. Звуковое давление – дополнительно давление в газе или

жидкости, вызываемое звуковой волной. Интенсивность звука измеряется

энергией, переносимой звуковыми волнами за единицу времени через единицу

площади сечения, перпендикулярного направлению распространения волн, и

измеряется в ваттах на квадратный метр. Интенсивность звука определяет его

громкость. Высота звука определяется частотой колебаний. Ультразвуком и

инфразвуком называют звуковые колебания, лежащие вне пределов слышимости с

частотами 20 килогерц и 20 герц соответственно.

55.Свободные электромагнитные колебания в контуре. Превращение энергии в

колебательном контуре. Собственная частота колебаний в контуре.

Электрическим колебательным контуром называется система, состоящая из

конденсатора и катушки, соединенных в замкнутую цепь. При подключении

катушки к конденсатору в катушке возникает ток и энергия электрического

поля превращается в энергию магнитного поля. Конденсатор разряжается не

мгновенно, т.к. этому препятствует ЭДС самоиндукции в катушке. Когда же

конденсатор разрядится полностью, ЭДС самоиндукции будет препятствовать

убыванию тока, и энергия магнитного поля будет переходить в энергию

электрического. Ток, возникающий при этом, зарядит конденсатор, причем знак

заряда на обкладках будет противоположным первоначальному. После чего

процесс повторяется до тех пор, пока вся энергия не будет затрачена на

нагревание элементов цепи. Таким образом, энергия магнитного поля в

колебательном контуре переходит в энергию электрического и обратно. Для

полной энергии системы возможно записать соотношения: [pic], откуда для

произвольного момента времени [pic]. Как известно, для полной цепи [pic]

[pic]. Полагая, что в идеальном случае R(0, окончательно получим [pic], или

же [pic]. Решением этого дифференциального уравнения является функция

[pic], где [pic]. Величину ( называют собственной круговой (циклической)

частотой колебаний в контуре.

56. Вынужденные электрические колебания. Переменный электрический ток.

Генератор переменного тока. Мощность переменного тока.

Переменный ток в электрических цепях является результатом возбуждения в них

вынужденных электромагнитных колебаний. Пусть плоский виток имеет площадь S

и вектор индукции B составляет с перпендикуляром к плоскости витка угол (.

Магнитный поток Ф через площадь витка в данном случае определяется

выражением [pic]. При вращении витка с частотой ( угол ( меняется по закону

[pic]., тогда выражение для потока примет вид[pic]. Изменения магнитного

потока создают ЭДС индукции, равную минус скорости изменения потока [pic].

Следовательно, изменение ЭДС индукции будет проходить по гармоническому

закону [pic]. Напряжение, снимаемое с выхода генератора, пропорционально

количеству витков обмотки. При изменении напряжения по гармоническому

закону [pic] напряженность поля в проводнике изменяется по такому же

закону. Под действием поля возникает то, частота и фаза которого совпадают

с частотой и фазой колебаний напряжения [pic]. Колебания силы тока в цепи

являются вынужденными, возникающими под воздействием приложенного

переменного напряжения. При совпадении фаз тока и напряжения мощность

переменного тока равна [pic]или [pic]. Среднее значение квадрата косинуса

за период равно 0.5, поэтому [pic]. Действующим значением силы тока

называется сила постоянного тока, выделяющая в проводнике такое же

количество теплоты, что и переменный ток. При амплитуде Imax гармонических

колебаний силы тока действующее напряжение равно [pic]. Действующее

значение напряжения также в [pic] раз меньше его амплитудного значения

Средняя мощность тока при совпадении фаз колебаний определяется через

действующее напряжение и силу тока[pic].

57. Активное, индуктивное и емкостное сопротивление.

Активным сопротивлением R называется физическая величина, равная отношению

мощности к квадрату силы тока [pic], что получается из выражения для

мощности [pic]. При небольших частотах практически не зависит от частоты и

совпадает с электрическим сопротивлением проводника.

Пусть в цепь переменного тока включена катушка. Тогда при изменении силы

тока по закону [pic]в катушке возникает ЭДС самоиндукции [pic]. Т.к.

электрическое сопротивление катушки равно нулю, то ЭДС равна минус

напряжению на концах катушки, созданному внешним генератором (??? Каким еще

генератором???) [pic]. Следовательно, изменение силы тока вызывает

изменение напряжения, но со сдвигом по фазе [pic]. Произведение [pic]

является амплитудой колебаний напряжение, т.е. [pic]. Отношение амплитуды

колебаний напряжения на катушке к амплитуде колебаний тока называется

индуктивным сопротивлением [pic].

Пусть в цепи находится конденсатор. При его включение он четверть периода

заряжается, потом столько же разряжается, потом то же самое, но со сменой

полярности. При изменении напряжения на конденсаторе по гармоническому

закону [pic] заряд на его обкладках равен [pic]. Ток в цепи возникает при

изменении заряда: [pic] , аналогично случаю с катушкой амплитуда колебаний

силы тока равна [pic]. Величина, равная отношению амплитуды к силе тока,

называется емкостным сопротивлением [pic].

58. Закон Ома для переменного тока.

Рассмотрим цепь, состоящую из последовательно подключенных резистора,

катушки и конденсатора. В любой момент времени приложенное напряжение равно

сумме напряжений на каждом элементе. Колебания силы тока во всех элементах

происходят по закону [pic]. Колебания напряжения на резисторе совпадают по

фазу с колебаниями силы тока, колебания напряжения на конденсаторе отстают

по фазе на [pic] от колебаний тока, колебания напряжения на катушке

опережают по фазе колебания тока на [pic] (почему отстают-то???). Поэтому

условие равенства суммы напряжений общему можно записать как[pic].

Воспользовавшись векторной диаграммой, можно увидеть, что амплитуда

напряжений в цепи равна [pic], или [pic], т.е. [pic]. Полное сопротивление

цепи обозначают [pic]. Из диаграммы очевидно, что напряжение также

колеблется по гармоническому закону [pic]. Начальную фазу ( можно найти по

формуле[pic]. Мгновенная мощность в цепи переменного тока равна[pic].

Поскольку среднее значение квадрата косинуса за период равно 0.5, [pic].

Если в цепи присутствует катушка и конденсатор, то по закону Ома для

переменного тока [pic]. Величина [pic] называется коэффициентом мощности.

59. Резонанс в электрической цепи.

Емкостное и индуктивное сопротивления зависят от частоты приложенного

напряжения. Поэтому при постоянной амплитуде напряжения амплитуда силы тока

зависит от частоты. При таком значении частоты, при котором [pic], сумма

напряжений на катушке и конденсаторе становится равной нулю, т.к. их

колебания противоположны по фазе. В результате, напряжение на активном

сопротивлении при резонансе оказывается равным полному напряжению, а сила

тока достигает максимального значения. Выразим индуктивное и емкостное

сопротивления при резонансе: [pic], следовательно [pic] . Это выражение

показывает, что при резонансе амплитуда колебаний напряжения на катушке и

конденсаторе могут превосходить амплитуду колебаний приложенного

напряжения.

60. Трансформатор.

Трансформатор представляет собой две катушки с разным количеством витков.

При приложении к одной из катушек напряжения в ней возникает ток. Если

напряжение изменяется гармоническому закону, то по такому же закону будет

изменять и ток. Магнитный поток, проходящий через катушку, равен [pic]. При

изменении магнитного потока в каждом витке первой катушки возникает ЭДС

самоиндукции [pic]. Произведение [pic]является амплитудой ЭДС в одном

витке, всего же ЭДС в первичной катушке[pic]. Вторичную катушку пронизывает

тот же магнитный поток, поэтому [pic]. Т.к. магнитные потоки одинаковы,

то[pic]. Активное сопротивление обмотки мало по сравнению с индуктивным

сопротивлением, поэтому напряжение примерно равно ЭДС. Отсюда [pic].

Коэффициент К называется коэффициентом трансформации. Потери на нагревание

проводов и сердечников малы, поэтому Ф1(Ф2. Магнитный поток пропорционален

силе тока в обмотке и количеству витков[pic]. Отсюда [pic], т.е. [pic].

Т.е. трансформатор увеличивает напряжение в К раз, уменьшая во столько же

раз силу тока. Мощность тока в обоих цепях при пренебрежении потерями

одинакова.

61. Электромагнитные волны. Скорость их распространения. Свойства

электромагнитных волн.

Любое изменение магнитного потока в контуре вызывает появление в нем

индукционного тока. Его появление объясняется возникновением вихревого

электрического поля при любом изменении магнитного поля. Вихревое

электрическое поде обладает тем же свойством, что и обыкновенное –

порождать магнитное поле. Таким образом, однажды начавшийся процесс

взаимного порождения магнитного и электрического полей непрерывно

продолжается. Электрическое и магнитные поля, составляющие электромагнитные

волны, могут существовать и в вакууме, в отличие от других волновых

процессов. Из опытов с интерференцией была установлена скорость

распространения электромагнитных волн, составившая приблизительно [pic]. В

общем случае скорость электромагнитной волны в произвольной среде

вычисляется по формуле [pic]. Плотность энергии электрической и магнитной

компоненты равны между собой: [pic], откуда [pic]. Свойства

электромагнитных волн схожи со свойствами других волновых процессов. При

прохождении границы раздела двух сред частично отражаются, частично

преломляются. От поверхности диэлектрика не отражаются, от металлов

отражаются практически полностью. Электромагнитные волны обладают

свойствами интерференции (опыт Герца), дифракции (алюминиевая пластинка),

поляризации (сетка).

62. Принципы радиосвязи. Простейший радиоприемник.

Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения

электромагнитных волн. Чем больше угол между пластинами конденсатора – тем

более свободно ЭМ-волны распространяются в пространстве. В

действительности, открытый контур состоит из катушки и длинного провода –

антенны. Один конец антенны заземлен, другой – поднят над поверхностью

Земли. Т.к. энергия электромагнитных волн пропорциональна четвертой степени

частоты, то при колебаниях переменного тока звуковых частот ЭМ-волны

практически не возникают. Поэтому используется принцип модуляции –

частотной, амплитудной или фазовой. Простейший генератор модулированных

колебаний представлен на рисунке. Пусть частота колебаний контура

изменяется по закону[pic]. Пусть частота модулируемых звуковых колебаний

также изменяется как [pic], причем (. Величина n называется

показателем преломления. Показатель преломления среды относительно вакуума

называется абсолютным показателем преломления этой среды [pic]. При

наблюдении эффекта преломления можно заметить, что в случае перехода среды

из оптически более плотной среды в менее плотную, при постепенном

увеличении угла падения можно достигнуть такой его величины, что угол

преломления станет равен [pic]. При этом выполняется равенство [pic]. Угол

падения (0 называется предельным углом полного отражения. При углах,

больших (0, происходит полное отражение.

66. Линза, построение изображения. Формула линзы.

Линзой называется прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими

поверхностями. Линза, которая у краев толще, чем в середине, называется

вогнутой, которая в середине толще – выпуклой. Прямая, проходящая через

центры обеих сферических поверхностей линзы, называется главной оптической

осью линзы. Если толщина линзы мала, то можно сказать, что главная

оптическая ось пересекается с линзой в одной точке, называемой оптическим

центром линзы. Прямая, проходящая через оптический центр, называется

побочной оптической осью. Если на линзу направить пучок света, параллельный

главной оптической оси, то у выпуклой линзы пучок соберется в точке F,

называемой главным фокусом. Если такой же пучок направить на вогнутую

линзу, то пучок рассеивается так, что лучи как будто бы исходят из точки F,

называемой мнимым фокусом. Если направить пучок света параллельной побочной

оптической оси, то он соберется на побочном фокусе, лежащем в фокальной

плоскости, проходящей через главный фокус перпендикулярно главной

оптической оси. Из подобия треугольников очевидно, что [pic] и [pic].

Найдем соотношение [pic], откуда [pic]. Но [pic] и [pic], т.е. [pic], что

после приведения подобных дает [pic]. Поделив это равенство на [pic],

получим формулу линзы [pic]. В формуле линзы расстояние от линзы до мнимого

изображения считается отрицательным. Оптическая сила двояковыпуклой (да и

вообще любой) линзы определяется из радиуса ее кривизны и показателя

преломления стеклом и воздухом [pic].

66. Когерентность. Интерференция света и ее применение в технике. Дифракция

света. Дифракционная решетка.

В явлениях дифракции и интерференции наблюдаются волновые свойства света.

Две световые частоты, разность фаз которых равна нулю, называются

когерентными друг другу. При интерференции – сложении когерентных волн –

возникает устойчивая во времени интерференционная картина максимумов и

минимумов освещенности. При разности хода [pic] возникает интерференционный

максимум, при [pic] – минимум. Явление отклонения света от прямолинейного

распространения при прохождении края преграды называется дифракцией света.

Это явление объясняется принципом Гюйгенса-Френеля: возмущение в любой

точке является результатом интерференции вторичных волн, излучаемых каждым

элементом волновой поверхности. Дифракция применяется в спектральных

приборах. Элементом этих приборов является дифракционная решетка,

представляющая собой прозрачную пластину с нанесенной на нее системой

непрозрачных параллельных полос, расположенных на расстоянии d друг от

друга. пусть на решетку падает монохроматическая волна. В результате

дифракции из каждой щели свет распространяется не только в первоначальном

направлении, но и во всех других. Если за решеткой поставить линзу, то в

фокальной плоскости параллельные лучи от всех щелей соберутся в одну

полоску. Параллельны лучи идут с разностью хода [pic]. При равенстве

разности хода целому числу волн [pic] наблюдается интерференционный

максимум света. Для каждой длины волны условие максимума выполняется при

своем значении угла (, поэтому решетка разлагает белый свет в спектр. Чем

больше длина волна, тем больше угол.

67. Дисперсия света. Спектр электромагнитного излучения. Спектроскопия.

Спектральный анализ. Источники излучений и виды спектров.

Узкий параллельный пучок белого света при прохождении сквозь призму

разлагается на пучки света разного цвета. Цветная полоса, видимая при этом,

называется сплошным спектром. Явление зависимости скорости света от длины

волны (частоты) называют дисперсией света. Этот эффект объясняется тем, что

белый свет состоит из ЭМ-волн разных длин волны, от которых и зависит

показатель преломления. Наибольшее значение он имеет для самой короткой

волны – фиолетовой, наименьшее – для красно. В вакууме скорость света

независимо от его частоты одинакова. Если источником спектра является

разреженный газ, то спектр имеет вид узких линий на черном фоне. Сжатые

газы, жидкости и твердые тела испускают сплошной спектр, где цвета плавно

переходят друг в друга. Природа возникновения спектра объясняется тем, что

каждому элементу присущ свой специфический набор излучаемого спектра. Это

свойство позволяет применять спектральный анализ для выявления химического

состава вещества. Спектроскопом называется прибор, с помощью которого

исследуется спектральный состав света, испускаемого некоторым источником.

Разложение производится с помощью дифракционной решетки(лучше) или призмы,

для исследования ультрафиолетовой области применяется кварцевая оптика.

68. Фотоэффект и его законы. Кванты света. Уравнение Эйнштейна для

фотоэффекта. Применение фотоэффекта в технике.

Явление вырывания электронов из твердых и жидких тел под воздействием света

называется внешним фотоэлектрическим эффектом, а вырванные таким образом

электроны – фотоэлектронами. Опытным путем установлены законы фотоэффекта –

максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света и не

зависит от его интенсивности, для каждого вещества существует своя красная

граница фотоэффекта, т.е. такая частота [pic](min, при которой еще возможен

фотоэффект, число фотоэлектронов, вырванных за секунду, прямо

пропорционально интенсивности света. Также установлена безынерционность

фотоэффекта – он возникает мгновенно после начала освещения при условии

превышения красной границы. Объяснение фотоэффекта возможно с помощью

квантовой теории, утверждающей дискретность энергии. Электромагнитная

волна, по этой теории, состоит из отдельных порций – квантов(фотонов). При

поглощении кванта энергии фотоэлектрон приобретает кинетическую энергию,

которую можно найти из уравнения Эйнштейна для фотоэффекта [pic], где А0 –

работа выхода, параметр вещества. Количество фотоэлектронов, покидающих

поверхность металла пропорциональна количеству электронов, которое, в свою

очередь, зависит от освещенности (интенсивности света).

69. Опыты Резерфорда по рассеиванию альфа-частиц. Ядерная модель атома.

Квантовые постулаты Бора.

Первая модель строения атома принадлежит Томсону. Он предположил, что атом

это положительно заряженный шар, внутри которого расположены вкрапления

отрицательно заряженных электронов. Резерфорд провел опыт по облечению

быстрыми альфа-частицами металлической пластинки. При этом наблюдалось, что

часть из них немного отклоняются от прямолинейного распространения, а

некоторая доля – на углы более 20. Это было объяснено тем, что

положительный заряд в атоме содержится не равномерно, а в некотором объеме,

значительно меньшем размера атома. Эта центральную часть была названа ядром

атома, где сосредоточен положительный заряд и почти вся масса. Радиус

атомного ядра имеет размеры порядка 10-15 м. Также Резерфорд предложил т.н.

планетарную модель атома, по которой электроны вращаются вокруг атома как

планеты вокруг Солнца. Радиус самой дальней орбиты = радиусу атома. Но эта

модель противоречила электродинамике, т.к. ускоренное движение (в т.ч.

электронов по окружности) сопровождается излучением ЭМ-волн. Следовательно,

электрон постепенно теряет свою энергию и должен упасть на ядро. В

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6