1.1.Механическое движение и его относительность. Системы отсчёта. Скорость и перемещение при прямолинейном равномерном движении.
Механическим движением называется изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Примеры: движение автомобиля, Земли вокруг Солнца, облаков на небе и др.
Механическое движение относительно: тело может покоиться относительно одних тел, и двигаться относительно других. Пример: водитель автобуса покоится относительно самого автобуса, но находится в движении вместе с автобусом относительно земли.
Для описания механического движения выбирают систему отсчёта.
Системой отсчёта называется тело отсчёта, связанная с ним система координат и прибор для измерения времени (напр. часы).
В механике часто телом отсчёта служит Земля, с которой связывают прямоугольную декартову систему координат (XYZ).
Линия, по которой движется тело, называется траекторией.
Прямолинейным называется движение, если траектория тела – прямая линия.
Длину траектории называют путем. Путь измеряется в метрах.
Перемещение – это вектор, соединяющий начальное положение тела с его конечным положением. Обозначается [pic] , измеряется в метрах.
Скорость – это векторная величина, равная отношению перемещения за малый промежуток времени к величине этого промежутка. Обозначается [pic] , измеряется в м/с.
Равномерным называется такое движение, при котором тело за любые равные промежутки времени проходит одинаковые пути. При этом скорость тела не меняется.
При этом движении перемещение и скорость вычисляются по формулам: [pic] , [pic]
1.2.Электрический ток в полупроводниках. Собственная и примесная проводимость полупроводников.
Полупроводники – это вещества, занимающие промежуточное положение между веществами, хорошо проводящими электрический ток (проводниками), и веществами, практически не проводящими тока (диэлектриками).
К полупроводникам относятся кремний Si, германий Ge, селен Se и соединения (Pb, CdS и др.).
Свойства полупроводников:
1.С ростом температуры их сопротивление резко падает.
2.Наличие примесей приводит к значительному уменьшению их удельного сопротивления.
3.Электрический ток переносится в них не только отрицательными зарядами – электронами, но и равными им по величине положительными зарядами – дырками.
Атомы в кристалле кремния (IV группа табл. Менделеева) связаны между собой ковалентными связями. Эти связи достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. При нагревании кремния наступает разрыв отдельных связей, и некоторые электроны становятся свободными. В электрическом поле они перемещаются между узлами решётки, образуя электрический ток.
При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном. Его называют дыркой. Дырка несёт положительный заряд.
В чистых полупроводниках электрический ток создаётся движением отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводников.
При добавлении примесей к полупроводнику резко увеличивается его проводимость.
Примеси бывают донорные и акцепторные.
Донорная примесь – это примесь с большей, чем у кристалла, валентностью.
При добавлении такой примеси в полупроводнике образуются дополнительные свободные электроны. Полупроводник с донорной примесью называется полупроводником n-типа.
Например, для кремния с валентностью равной 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью равной 5.
Каждый атом примеси мышьяка приведёт к образованию одного электрона проводимости.
Акцепторная примесь – это примесь с меньшей, чем у кристалла, валентностью.
При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником p-типа.
Например, для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью равной 3.
Каждый атом примеси индия приведёт к образованию лишней дырки.
2.1.Электрический ток в растворах и расплавах электролитов. Закон электролиза. Применение электролиза в технике.
Вещества, растворы которых проводят электрический ток, называются электролитами.
К ним относятся растворы солей, кислот, щелочей.
При растворении электролитов под влиянием электрического поля полярных молекул воды происходит распад молекул электролитов на ионы. Этот процесс называется электролитической диссоциацией.
Например, при растворении в воде молекулы медного купороса [pic] распадаются на положительные ионы меди [pic] и отрицательные ионы [pic] (кислотный остаток).
При прохождении электрического тока через водный раствор медного купороса у положительного электрода (анода) выделяется кислотный остаток, а на отрицательном электроде (катоде) выделяется медь. Т.е. в жидкостях ионная проводимость.
Электролиз – это процесс выделение на электроде вещества под действием электрического тока.
Масса вещества, выделившегося на электроде, вычисляется по формуле:
[pic] закон Фарадея
k – электрохимический эквивалент вещества (зависит от природы вещества), (кг/Кл),
I – сила тока, измеряется в Амперах (А),
[pic] - промежуток времени, в течении которого проходил ток, (с).
Электролиз применяется для очистки металлов от примесей, для покрытия поверхности одного металла тонким слоем другого, для получения копий с рельефных поверхностей.
2.2 Свободные носители электрического заряда в проводниках. Механизм проводимости растворов и расплавов в электролитах.
Жидкости, как и твердые тела, могут быть проводниками, полупроводниками и диэлектриками. Тип проводимости таких проводников – ионный.
Для лучшего понимания процесса проводимости тока в жидкостях, можно представить следующий опыт: В ванну с водой поместили два электрода, подключенные к источнику тока, в цепи в качестве индикатора тока можно взять лампочку. Если замкнуть такую цепь, лампа гореть не будет, что означает отсутствие тока, а это значит, что в цепи есть разрыв, и вода сама по себе ток не проводит. Но если в ванную поместить некоторое количество [pic] – поваренной соли – и повторить замыкание, то лампочка загорится. Это значит, что в ванной между катодом и анодом начали двигаться свободные носители заряда, в данном случае ионы (рис. 1).
[pic] Рис. 1. Схема опыта
Откуда во втором случае берутся свободные заряды? Некоторые диэлектрики – полярные. Вода имеет как раз-таки полярные молекулы (рис. 2).
[pic]
Рис. 2. Полярность молекулы воды
При внесении в воду соли молекулы воды ориентируются таким образом, что их отрицательные полюса находятся возле натрия, положительные – возле хлора. В результате взаимодействий между зарядами молекулы воды разрывают молекулы соли на пары разноименных ионов. Ион натрия имеет положительный заряд, ион хлора – отрицательный (рис. 3). Именно эти ионы и будут двигаться между электродами под действием электрического поля.
2.2(продолжение)
[pic]
Рис. 3. Схема образования свободных ионов
При подходе ионов натрия к катоду он получает свои недостающие электроны, ионы хлора при достижении анода отдают свои.
Так как протекание тока в жидкостях связано с переносом вещества, при таком токе имеет место процесс электролиза.
Определение. Электролиз – процесс, связанный с окислительно-восстановительными реакциями, при которых на электродах выделяется вещество.
Вещества, которые в результате подобных расщеплений обеспечивают ионную проводимость, называются электролитами. Такое название предложил английский физик Майкл Фарадей .
Электролиз позволяет получать из растворов вещества в достаточно чистом виде, поэтому его применяют для получения редких материалов, как натрий, кальций… в чистом виде. Этим занимается так называемая электролитическая металлургия.
3.1Ускорение, скорость и перемещение при прямолинейном равноускоренном движении.
Прямолинейным называется движение, если траектория тела – прямая линия.
Если тела за равные промежутки времени проходит неодинаковые пути, то движение будет неравномерным.
При таком движении скорость тела либо увеличивается, либо уменьшается.
Процесс изменения скорости тела характеризуется ускорением.
Ускорением называется физическая величина, равная отношению очень малого изменения вектора скорости ∆ [pic] к малому промежутку времени ∆t, за которое произошло это изменение: [pic] .
Ускорение обозначается буквой [pic] измеряется в м/с2.
Направление вектора [pic] совпадает с направлением изменения скорости.
При равноускоренном движении с начальной скоростью [pic] ускорение [pic] равно
[pic] , где [pic] .
Отсюда скорость равноускоренного движения равна [pic] .
Перемещение при прямолинейном равноускоренном движении вычисляется по формуле:
[pic] .
3.2 Электрический ток – это направленное движение заряженных частиц.
В металлах ток создаётся движением электронов.
За направление тока принимается направление движения положительных зарядов.
Для возникновения тока необходимо наличие свободных носителей заряда и наличие внешнего электрического поля.
Электрический ток производит тепловое, магнитное, химическое, световое и биологическое действия.
4.1.Сила. Сложение сил. Законы динамики Ньютона.
Сила – это векторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимодействии.
Сила характеризуется модулем, точкой приложения и направлением.
Сила обозначается [pic] , измеряется в Ньютонах (Н). [pic] .
Если на тело одновременно действует несколько сил, то результирующая сила находится по правилу сложения векторов.
Законы Ньютона:
I.(Закон инерции). Существуют такие системы отсчёта (инерциальные), относительно которых поступательно движущиеся тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела или действие других тел компенсируется.
II.Произведение массы тела на ускорение равно сумме всех сил, действующих на тело. [pic]
III.Силы, с которыми тела действуют друг на друга, равны по модулям и направлены по одной прямой в противоположные стороны. [pic]
4.2.Магнитное поле тока. Магнитная индукция. Сила Ампера. Сила Лоренца.
Магнитное поле – это особая форма материи, существующая независимо от нас и от наших знаний о нём. Оно обладает следующими свойствами:
1. возникает вокруг движущихся зарядов и проводников с током;
2. действует на движущиеся заряды и проводники с током.
Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция.
Модулем магнитной индукции называется отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка. [pic] , где B – модуль магнитной индукции, Fm максимальная сила, I сила тока, ∆l – длина проводника.
Магнитная индукция измеряется в Теслах (Тл).
Магнитная индукция – векторная величина.
Вектор [pic] направлен от северного полюса магнита к южному полюсу.
Для прямолинейного проводника с током направление вектора [pic] определяют по правилу буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения буравчика совпадёт с направлением вектора [pic] .
Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, называется силой Ампера.
Сила Ампера вычисляется по формуле: [pic] , где [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] .
Сила, действующая со стороны магнитного поля на движущийся заряд, называется силой Лоренца.
Сила Лоренца вычисляется по формуле: [pic] , где [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] .
Направление силы Ампера и силы Лоренца определяется по правилу левой руки.
5.1.Основы СТО. Инерциальные системы отсчёта. Принцип относительности. Постулаты специальной теории относительности.
Специальная теория относительности Эйнштейна – это новое учение о пространстве и времени, пришедшее на смену старым (классическим) представлениям.
В основе теории относительности лежат два постулата.
Первый постулат (принцип относительности): все процессы природы протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта.
Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы имеют одинаковую форму.
Инерциальными называются такие системы отсчёта, относительно которых тело при отсутствии внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно.
Системы отсчёта, связанные с Землёй, обычно считаются инерциальными.
Второй постулат (постулат постоянства скорости света): скорость света в вакууме одинакова для всех инерциальных систем отсчёта. Она не зависит ни от скорости источника, ни от скорости приёмника светового сигнала.
Скорость света: c = 3٠108 м/с. Скорость света в вакууме является максимально возможной скоростью передачи взаимодействий в природе.
Согласно теории относительности размеры предметов и интервалы времени не являются абсолютными, а зависят от скорости движения. При скоростях близких к скорости света масса тела увеличивается с увеличением скорости, линейные размеры тела уменьшаются, а интервал времени между событиями увеличивается. Явление замедления времени было обнаружено экспериментально в ядерной физике при наблюдении распада элементарных частиц.
Но при скоростях движения, много меньших скорости света, эти эффекты незаметны, и справедливы классические представления о пространстве и времени и законы механики Ньютона.
5.2 Сила Ампера
Магнитное поле – это особая форма материи, существующая независимо от нас и от наших знаний о нём. Оно обладает следующими свойствами:
1. возникает вокруг движущихся зарядов и проводников с током;
2. действует на движущиеся заряды и проводники с током.
Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция.
Модулем магнитной индукции называется отношение максимальной силы, действующей со стороны магнитного поля на участок проводника с током, к произведению силы тока на длину этого участка. [pic] , где B – модуль магнитной индукции, Fm максимальная сила, I сила тока, ∆l – длина проводника.
Магнитная индукция измеряется в Теслах (Тл).
Магнитная индукция – векторная величина.
Вектор [pic] направлен от северного полюса магнита к южному полюсу.
Для прямолинейного проводника с током направление вектора [pic] определяют по правилу буравчика: если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения буравчика совпадёт с направлением вектора [pic] .
Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током, называется силой Ампера.
Сила Ампера вычисляется по формуле: [pic] , где [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] .
6.1.Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела. Невесомость.
Силы взаимного притяжения, действующие между любыми телами в природе, называются силами всемирного тяготения (или силами гравитации).
Закон всемирного тяготения (открыл Ньютон):
Все тела притягиваются друг к другу с силой прямо пропорциональной произведению масс тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними:
[pic] , где [pic] - сила всемирного тяготения, [pic] [pic] [pic]
Сила тяжести – это сила, с которой Земля притягивает тело, находящееся на её поверхности или вблизи этой поверхности.
Сила тяжести направлена вертикально вниз и вычисляется по формуле: [pic] , где [pic] [pic]
Вес тела – это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или растягивает подвес. Обозначается буквой Р.
Вес тела является частным случаем проявление силы упругости и зависит от ускорения, с которым движется опора.
Если ускорение а = 0, то вес равен силе, с которой тело притягивается к Земле.
Если ускорение а [pic] , то вес Р = [pic] .
Если тело падает свободно или движется с ускорением свободного падения, т.е. а = g, то вес тела равен 0. Состояние тела, в котором его вес равен нулю, называется невесомостью.
6.2 Принцип действия электродвигателя. Электроизмерительные приборы.
Закон действия магнитного поля на проводник с током выражается, прежде всего, в действии магнитного поля на виток или рамку с током. Так, на виток с током в магнитном поле действует момент силы, которая стремится развернуть этот виток таким образом, чтобы его плоскость стала перпендикулярна линиям магнитного поля. Угол поворота витка прямопропорционален величине тока в витке. Если внешнее магнитное поле в витке постоянно, то значение модуля магнитной индукции также величина постоянная. Площадь витка при не очень больших токах также можно считать постоянной, следовательно, справедливо то, что сила тока равна произведению момента сил, разворачивающих виток с током на некоторую постоянную, при неизменных условиях, величину.
[pic] , I – сила тока, М – момент сил, разворачивающих виток с током.
Следовательно, появляется возможность измерять силу тока по величине угла поворота рамки, которая реализована в измерительном приборе – амперметре (рис.1).
[link]
Рис. 1. Рис. 2.
Такой лазер имеет трехуровневую систему (Рис. 1-2). Так как в состав рубина входят атомы хрома, они имеют трехступенчатую картинку: основное состояние, состояние с энергией Е2 и состояние с энергией Е3. Состояние Е2 является неустойчивым, и атом может с него спуститься до состояния Е3. Время существования атома при этом увеличится на пять порядков. В таком случае, системой накачки можно создать такую ситуацию, что почти все атомы хрома находятся в возбужденном состоянии и ждут сигнала для перехода в стационарное состояние. Вследствие этого получается мощный лазерный луч.
Газовые лазеры на основе гелий + неон (Не – буферная среда, Ne дает излучение). Данный лазер дает ярко-красное излучение: [pic]
Отличаются маленьким разбросом частот. Такие лазеры обладают высокой когерентностью.
[pic] [pic]
lk – длина когерентности лазерного луча
Газовые лазеры на основе углекислого газа работают в инфракрасной области.
Существуют также жидкостные лазеры с разными красителями, т. е. можно получать излучения разных цветов.
Самые дешевые – полупроводниковые лазеры. Они могут регулировать свою частоту излучения и, соответственно, длину волны.
Лазерное излучение покрывает огромный диапазон: [pic]
Лазеры применяются в технике, в медицине и т. д. Например, запись информации проводится на лазерных дисках, лазер используют в микрохирургии глаза, при сварке металла и т. д.
24.1 Параллельное и последовательное соединение проводников.
Для получения нужной нам силы тока гораздо удобнее подбирать необходимое сопротивление при постоянном напряжении, чем подбирать нужный источник питания. И иногда резистор нужного сопротивления нельзя достать, в таком случае необходимо соединить определенным образом несколько других резисторов (как и в случае с конденсаторами из прошлой темы). Принципиально разных соединений существует два: последовательное и параллельное. Последовательное соединение осуществляется подключением резисторов друг за другом без разветвления проводника (рис. 1):
[pic] Рис. 1. Пример последовательного соединения
Основная задача – это понять, как связаны параметры каждого резистора в соединении с параметрами эквивалентного резистора (как будто весь блок последовательных резисторов [pic] мы заменили одним резистором [pic] )
В первую очередь такое соединение не дает никакой возможности зарядам в разном количестве проходить через разные резисторы в цепи, поэтому: [pic]
Напряжение же, напротив, будет разным. Так как работа электрического поля по переносу заряда через весь блок – это сумма работ по переносу заряда через каждый резистор:
[pic]
Воспользовавшись законом Ома в последнем равенстве: [pic]
мы получим выражение для сопротивлений: [pic]
Главная проблема последовательного соединения – это то, что в случае разрыва цепи в каком-то одном месте ток перестает идти во всей цепи. Ярким примером последовательного соединения являются гирлянды
Параллельным называется соединение, при котором концы всех резисторов имеют общую точку – «узел» (рис. 2):
[pic] Рис. 2. Параллельное сопротивление
В данном соединении эквивалентные напряжение, сила тока и сопротивления ищутся по-другому.
Во-первых, так как концы всего блока совпадают с концами каждого резистора, все напряжения равны между собой и равны эквивалентному: [pic]
Заряд же, прошедший за единицу времени через весь блок, равен сумме зарядов, прошедших через каждый отдельный резистор в соединении. Поэтому: [pic]
Теперь, подставив в последнее равенство закон Ома: [pic]
мы получим выражение для эквивалентного сопротивления: [pic]
Стоит отметить, что в большинстве цепей применяются смешанные соединения.
24.2 Состав ядра атома.
Ядро атома любого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов (р) и не имеющих заряда нейтронов (n).
Протоны и нейтроны являются двумя зарядовыми состояниями частицы, называемой нуклон.
Количество протонов и нейтронов можно определить по таблице Менделеева.
Порядковый номер – это количество протонов. Чтобы узнать количество нейтронов, нужно из атомной массы вычесть количество протонов.
Например, в ядре атома кислорода [pic] 8 протонов и 8 нейтронов.
25.1Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.
Полная электрическая цепь обязательно содержит источник тока.
Внутри источника тока происходит разделение зарядов: на одном полюсе накапливается положительный заряд, на другом – отрицательный.
Силы, совершающие работу по разделению зарядов, называются сторонние.
Электродвижущей силой источника (ЭДС) называется величина равная отношению работы сторонних сил Аст по перемещению заряда вдоль замкнутой цепи к величине этого заряда q. [pic]
ЭДС обозначается буквой [pic] ; измеряется в Вольтах.
Закон Ома для полной цепи: Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна сумме внешнего и внутреннего сопротивлений цепи. [pic]
I – сила тока (А), [pic] [pic]
25.2 Состав ядра атома. Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и их свойства.
Ядро атома любого химического элемента состоит из положительно заряженных протонов (р) и не имеющих заряда нейтронов (n).
Протоны и нейтроны являются двумя зарядовыми состояниями частицы, называемой нуклон.
Количество протонов и нейтронов можно определить по таблице Менделеева.
Порядковый номер – это количество протонов. Чтобы узнать количество нейтронов, нужно из атомной массы вычесть количество протонов.
Например, в ядре атома кислорода [pic] 8 протонов и 8 нейтронов.
Радиоактивность – это способность атомов одних химических элементов самопроизвольно (спонтанно) превращаться в атомы других химических элементов. При этом излучаются α-, β- и γ-лучи и выделяется энергия.
Явление радиоактивности было открыто опытным путём французским учёным Беккерелем в 1896 г. Он заметил, что соли урана засвечивают завёрнутую во много слоёв фотобумагу невидимым проникающим излучением.
В дальнейшем радиоактивность изучали Мария и Пьер Кюри и Резерфорд.
Было открыто три составляющих радиоактивного излучения: α-, β- и γ-лучи.
α-лучи – это поток ядер атомов гелия – тяжелые положительно заряженные частицы. Они слабо отклоняются электрическими и магнитными полями и обладают наименьшей проникающей способностью (слой бумаги толщиной около 0,1 мм для них уже непрозрачен).
β-лучи – это поток электронов (лёгкие, отрицательно заряженные), движущимися со скоростями, близкими к скорости света. Они сильно отклоняются электрическими и магнитными полями и гораздо меньше поглощаются веществом (их задерживает алюминиевая пластинка толщиной в несколько миллиметров).
γ-лучи – это электромагнитные волны с очень большой частотой (более 1020 Гц). Их скорость около 300 000 км/с. Они не отклоняются электрическими и магнитными полями и обладают самой большой проникающей способностью. Интенсивность поглощения γ-лучи увеличивается с увеличением атомного номера вещества-поглотителя. При прохождении γ-лучей через слой свинца толщиной в 1 см их интенсивность убывает лишь вдвое.
γ-лучи представляют для человека наибольшую опасность.
26.1 Тепловое действие тока. Закон Джоуля – Ленца. Мощность электрического тока.
При прохождении тока через проводник, проводник нагревается. Почему это происходит? Мы уже затрагивали молекулярное строение проводников в теме о сопротивлении и отмечали, что при протекании тока свободные электроны сталкиваются с узлами кристаллической решетки. При этих столкновениях электроны постоянно придают некоторую скорость узлам решетки (рис. 1).
[pic] Рис. 1. Взаимодействие электронов с узлами кристаллической решетки
Так как температура – мера теплового движения, в процессе «расталкивания» температура проводника повышается. В какой-то момент наступает равновесие, когда количество энергии, получаемое проводником вследствие прохождения тока, равно количеству энергии, которое он отдает в окружающую среду.
В том случае, когда работа тока не преобразуется в механическую или же ток не имеет химического действия, работа тока эквивалентна количеству теплоты, высвобождающегося в окружающую среду.
Формулу просчета этого количества теплоты впервые независимо друг от друга открыли двое ученых: русский Эмиль Ленц и англичанин Джеймс Джоуль.
Закон Джоуля-Ленца: [pic]
Как видно, правая часть формулы в точности повторяет одну из форм формулы для работы электрического тока.
Всегда следует помнить, что в случае, когда есть какое-либо другое преобразование энергии тока, формула Джоуля-Ленца не выполняется.
Наряду с работой тока очень важно отметить мощность тока, так как эта характеристика является ключевой в бытовом использовании электроэнергии (на всех бытовых приборах указано приемлемое напряжение его мощность).
Определение. Мощность – это работа, выполненная за единицу времени (скорость выполнения током работы): [pic]
Единица измерения мощности – ватт: [pic]
И теперь, используя наши знания о работе тока, мы без труда найдем формулу для мощности тока: [pic] [pic]
Или же, если использовать другие виды формулы для работы: [pic] , [pic]
26.2Цепная реакция деления ядер урана и условия её протекания. Термоядерная реакция.
Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом.
В 1938 г. немецкие физики Ган и Штрасман открыли деление урана под действием нейтронов: ядро урана делится на два близких по массе ядра.
У этой реакции есть две важные особенности, которые сделали возможным её практическое применение:
1. При делении каждого ядра урана выделяется значительная энергия.
2. Деление каждого ядра сопровождается вылетом 2-3 нейтронов, которые могут вызвать деление следующих ядер, т.е. сделать реакцию цепной.
Для осуществления цепной реакции используют ядра изотопа урана с массовым числом 235, т.е. [pic] . Именно они хорошо делятся под действием как быстрых, так и медленных нейтронов.
Ядра изотопа урана с массовым числом 238 ( [pic] ) используют для получения плутония, который также используют для цепной ядерной реакции.
26.2(продолжение)
Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы среднее число освобождённых в данной массе нейтронов не уменьшалось с течением времени. Управляемую цепную реакцию проводят в ядерных реакторах, которые конструируют так, чтобы коэффициент размножения k нейтронов был равен единице. Если число нейтронов будет увеличиваться с течением времени и k>1, то произойдет взрыв.
Термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких ядер при очень высокой температуре (примерно 107 Кельвинов и выше).
Легче всего осуществить реакцию синтеза между тяжелыми изотопами водорода - дейтерием [pic] и тритием [pic] . При этом в результате получается ядро гелия [pic] нейтрон [pic] и выделяется огромная энергия. [pic]
Работы над созданием управляемой термоядерной реакцией ещё ведутся.
Пока удалось осуществить неуправляемую термоядерную реакцию в водородной бомбе.
27.Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Кванты света. Применение фотоэффекта в технике.
Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.
Фотоэффект был открыт в 1887 г. немецким физиком Герцем и изучался экспериментально русским учёным Столетовым.
Столетов в опытах использовал стеклянный вакуумный баллон с впаянными в него двумя электродами. На электроды подавалось напряжение, а отрицательный электрод освещался светом. Под действием света из электрода вырывались электроны, которые двигались ко второму электроду. Т.е. создавался электрический ток.
В результате опытов Столетов получил следующие законы:
1. Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.
Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном.
Он использовал гипотезу немецкого физика Планка: свет излучается и поглощается отдельными порциями – квантами.
Уравнение Эйнштейна: [pic] энергия порции света [pic] идёт на совершение работы выхода [pic] электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии [pic] .
Приборы, в основе действия которых лежит фотоэффект, называются фотоэлементами.
Они используются в кино для воспроизведения звука, в фотометрии для измерения освещённости, в калькуляторах, в солнечных батареях и т.д.
28.Виды деформаций твёрдых тел. Сила упругости. Закон Гука.
Деформацией называется изменение формы или объёма тела.
Деформация возникает всегда, когда различные части тела под действием сил перемещаются неодинаково.
Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил, называются упругими.
Примеры: растяжение резинового шнура, пружины, стальных шариков при столкновении.
Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называются пластичными.
Примеры: глина, воск, пластилин.
Самые простые виды деформации – растяжение и сжатие.
Растяжение испытывают тросы, струны гитары, канаты.
Сжатие испытывают столбы, колонны, стены.
Деформацию, при которой происходит смещение слоёв тела относительно друг друга, называют деформацией сдвига.
Этой деформации подвержены все балки в местах опор, заклёпки, болты.
Более сложные виды деформации – изгиб и кручение. Эти деформации сводятся к неоднородному растяжению или сжатию или неоднородному сдвигу.
Силы упругости – это силы, возникающие при деформации тела и направленные в сторону восстановления его прежних форм и размеров перпендикулярно к деформируемой поверхности.
Закон Гука: Сила упругости, возникающая в теле при упругих деформациях, прямо пропорциональна его удлинению. [pic]
[pic] [pic]
32.Тепловое расширение жидкостей и твёрдых тел.
При повышении температуры объём твёрдых тел и жидкостей возрастает.
В твёрдом теле или жидкости при заданной температуре частицы находятся на определённых расстояниях друг от друга и совершают колебания около положения равновесия. При повышении температуры тела энергия колебаний возрастает, и расстояния между молекулами начинают увеличиваться. Тело начинает расширяться, его объём увеличивается.
Объём тела [pic] при температуре t вычисляется по формуле: [pic] ,где
[pic] , [pic]
Если нагреть стержень, то его длина возрастает.
Длина l стержня при температуре t рассчитывается по формуле: [pic]
[pic] [pic]
В природе имеются материалы, у которых в некотором интервале температур с увеличением температуры объём уменьшается, т.е. плотность растёт. Таким свойством обладают вода (от 0 до 40С), чугун и др.
Если бы вода не обладала таким свойством, то жизнь на Земле была бы невозможна, ибо, однажды замерзнув, она уже никогда бы не растаяла, т.к. более холодные слои опускались бы до дна.
36.Модели Земли и планет. Физические условия на планетах и их атмосферы.
Планеты Солнечной системы: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.
Плутон - планетообразное тело, самое дальнее, за Нептуном.
Планеты делятся на две группы: планеты земной группы и планеты-гиганты.
1.Планеты земной группы - Меркурий, Венера, Земля, Марс.
Все данные планеты имеют небольшие размеры и массу. Средняя плотность этих планет в несколько раз превосходит плотность воды. Они медленно вращаются вокруг своих осей. У них мало спутников (у Меркурия и Венеры их вообще нет, у Марса два крохотных, у Земли – один).
В отличие от Меркурия, который практически лишён атмосферы, Земля, Венера и Марс обладают ею. Атмосфера Венера и Марса состоит в основном из углекислого газа, но у Венеры атмосфера во много раз плотнее. Температура у поверхности Венеры очень высокая: 5000С (парниковый эффект). Состав облаков: капельки воды и серной кислоты.
В атмосфере Марса возникают ураганные ветры, которые длятся по несколько месяцев (пылевые бури).
Поверхности Меркурия, Венеры, Марса - каменистые пустыни, покрыты кратерами; имеются ущелья и горы.
2.Планеты-гиганты - Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.
Все эти планеты имеют большие размеры и массу. Юпитер превосходит Землю по объёму в 1320 раз, а по массе – в 318 раз. У всех планет-гигантов низкая средняя плотность. Они очень быстро вращаются вокруг своих осей (для Юпитера один оборот за 10 часов).
Планеты-гиганты отличаются большим числом спутников и имеют кольца.
Все эти планеты не имеют твёрдых поверхностей. Атмосфера содержит водород, гелий, аммиак, метан. Газообразный водород, входящий в атмосферу, постепенно по мере погружения в глубину планеты, переходит в жидкую, а затем и в твёрдую фазу.
У всех планет-гигантов имеются сильные магнитные поля.
42.Вынужденные колебания. Резонанс. Зависимость амплитуды колебаний от частоты вынуждающей силы.
Вынужденными называются колебания, происходящие под действием внешней постоянной периодической силы. Они незатухающие.
Примеры: поршень в цилиндре двигателя автомобиля, игла в швейной машине, качели, если их постоянно раскачивают.
При совпадении частоты внешней силы и частоты собственных колебаний тела амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает. Такое явление называется резонансом.
Если плавно увеличивать частоту внешней силы, то амплитуда колебаний тела растёт. Она достигает максимума, когда внешняя сила действует в такт со свободными колебаниями тела. При дальнейшем увеличении амплитуда установившихся колебаний опять уменьшается. При очень больших частотах внешней силы амплитуда стремится к нулю, т.к. тело вследствие своей инертности не успевает заметно смещаться за малые промежутки времени и «дрожит на месте».
Явление резонанса может быть причиной разрушения машин, зданий, мостов. Поэтому двигатели в машинах устанавливают на специальных амортизаторах, а воинским подразделениям при движении по мосту запрещается идти «в ногу».
2.Испарение жидкостей. Насыщенный и ненасыщенный пары. Влажность воздуха и её измерение.
В жидкостях все молекулы двигаются с разными скоростями: у некоторых молекул кинетическая энергия больше, у других – меньше.
Испарением называется такой процесс, при котором с поверхности жидкости вылетают молекулы, кинетическая энергия которых превышает потенциальную энергию взаимодействия других молекул.
Испарение происходит при любой температуре и сопровождается охлаждением жидкости.
Чтобы увеличить интенсивность испарения необходимо нагреть жидкость, увеличить площадь открытой поверхности, обдувать потоками воздуха. Пример: высыхание белья.
Конденсация – это процесс обратный испарению, т.е. переход вещества из газообразного состояния в жидкое. Пример: капли воды на холодном стекле.
Если сосуд с жидкостью закрыть, то над поверхностью жидкости будет увеличиваться концентрация молекул испаряющегося вещества. Через некоторое время наступит динамическое равновесие: число молекул, покидающих жидкость, станет равно числу молекул, вернувшихся в жидкость за то же время.
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называется насыщенным паром.
Давление насыщенного пара вычисляется по формуле: [pic] , где P - давление, измеряется в Паскалях (Па), n - концентрация, измеряется в 1/м3, k – постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.
Пар, находящийся при давлении ниже насыщенного, называется ненасыщенным.
Влажность воздуха – это содержание водяного пара в воздухе.
Относительной влажностью воздуха называют отношение парциального давления водяного пара, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению насыщенного пара при той же температуре.
Обозначается φ, выражается в %. Формула: [pic] ,
где [pic]
Влажность измеряют с помощью специальных приборов. Один из них – психрометр, состоящий из двух термометров (сухого и влажного). По разности температур этих термометров с помощью специальных таблиц можно определить влажность воздуха.
