Физика (лучшее)

Билет № 1
1. Всё что существует в природе называется материей.Любое измене­ние материи, любой процесс, происходящий в природе, называют движе­ниемматерии. Простейшей формой движения материи является механи­ческое движение.Механическим движением называется изменение вза­имного расположения тел иличастей одного и того же тела в простран­стве с течением времени. Раздел физики,рассматривающий механическое движение, называют механикой. Основные законымеханики в значитель­ной мере были выяснены Галилеем и сформулированы Ньютоном.Меха­ника Галилея-Ньютона называется классической. Она изучает законы движениямакроскопических тел, движущихся со скоростями много меньшими скорости света.Движение тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света, рассматривает релятивистскаямеханика. Изучением микромира занимается квантовая механика. Классическаямеханика под­разделяется на кинематику, динамику и статику. Кинематика изучаетза­коны движения тел, не вникая в причины, обусловливающие это движе­ние.Динамика рассматривает механическое движение с учётом причин, вызывающих его.Статика исследует условия равновесия тел.
Относительностьдвижения – это перемещение и скорость тела относительно разных систем отсчетаразличны (например, человек и поезд). Скорость тела относительно неподвижнойсистемы координат равна геометрической сумме скоростей тела относительноподвижной системы и скорости подвижной системы координат относительнонеподвижной. (V1 – скорость человека в поезде, V0 — скоростьпоезда, то V=V1+V0).
Система отсчёта.Механическое движение, как это следует из его определения, являетсяотносительным. Поэтому о движении тел можно говоритъ лишь в том случае, когдауказана система отсчёта. Система от­счёта включает в себя: 1) Тело отсчёта,т.е. тело, которое принимается за неподвижное  и относительно которогорассматривается движение других тел. С телом отсчёта связывают системукоординат. Чаще всего использу­ют декартовую (прямоугольную) систему координат 2) Прибор для измерения времени.
       Траекториидвижения. Воображаемая линия, по которой движет­ся материальная точка,называется траекторией. В общем случае траек­тория — сложная трёхмерная кривая. В частности, она может быть и пря­мойлинией. Тогда для описания движения необходима только одна коор­динатная ось,направленная вдоль траектории движения. Следует иметь ввиду, что форматраектории зависит от выбора системы отсчёта, т.е. фор­ма траектории понятиеотносительное. Так, траектория концов про­пеллераотносительно системы отсчёта, связанной с летящим самолётом, являетсяокружностью, а в системе отсчета, связанной с Землёй, — винто­вой линией.
Перемещением называетсявектор, проведённый из начального положения материальной точки в конечное.Длину участка, пройденного материальной точкой по траектории, называют путём илидлиной пути. Нельзя путать эти по­нятия, так как перемещение — вектор, а путь —скаляр.
Скорости бывают: мгновенные и средние. Мгновеннаяскорость – это скорость в данный момент времени в данной точке траектории.Мгновенная скорость направлена по касательной. (V=DS/Dt   DtÞ0). /Средняяскорость – скорость, определяемая отношением перемещения при неравномерномдвижении к промежутку времени, за которое это перемещение произошло./
 Ускорение. Скоростьматериальной точки может изменяться со вре­менем. Быстроту такого измененияхарактеризуют ускорением. Пусть в течение малого промежутка времени At быстротаизменения скорости практически неизменна, а изменение скорости равно DV. Тогда ускорение находим поформуле:a=DV/Dt
Таким образом, ускорение — это изменение скорости,отнесённое к еди­нице времени, т.е. изменение скорости за единицу времени приусловии его постоянства за это время. В системе единиц СИ ускорение измеряется в м/с2.
Движение, при котором скоростьтела неизменна по модулю и на­правлению, называется прямолинейным равномернымдвижением, Со­гласно (1.1), скорость такого движения находится по формуле V=S/t.
Если ускорение aнаправлено в ту же сторону, что и начальная скорость, то скорость будетувеличиваться и движение называют равноускоренным.
Билет № 2
В повседневной жизни нампостоянно приходится сталкиваться с различными взаимодействиями. Например, спритяжением тел к Земле, отталкиванием и притяжением магнитов и токов, текущихпо проводам, отклонением электронных пучков в электронно-лучевых трубках придей­ствии на них электрических и магнитных полей и т.д. для характеристикивзаимодействия тел и вводится понятие силы. В механике сила, дейст­вующаяна тело, является мерой его взаимодействия с окружающими те­лами, действие силыпроявляется в деформации тела или в приобретении им ускорения. Сила — этовектор. Поэтому она характеризуется модулем, направлением и точкой приложения.
Несмотря на удивительное разнообразие сил,встречающихся в приро­де, все их можно свести к четырём видам фундаментальныхсил: гравита­ционные, электромагнитные, ядерные и слабые. Гравитационные силывозникают между любыми телами. Их действие надо учитывать лишь в мире большихтел. Электромагнитные силы действуют на заряды как не­подвижные, так идвижущиеся. Поскольку вещество построено из атомов, которые, в свою очередь,состоят из электрически заряженных частиц электронов и протонов, то большинствосил, с которыми мы встречаемся в жизни, это электромагнитные силы. Имиявляются, например, силы упру­гости, возникающие при деформации тел, силытрения. Ядерные и слабые силы проявляют себя на расстояниях, не превышающих10-14 м. Поэтому эти силы заметны лишь в микромире. Необходимо отметить, чтовся клас­сическая физика, а вместе с ней и понятие силы, не применимы к элемен­тарнымчастицам. Характеризовать точным образом взаимодействие этих частиц с помощьюсил нельзя. Единственно возможным здесь становится энергетическое описание. Темне менее, и в атомной физике часто говорят о силах. В этом случае термин силастановится синонимом слова взаимодействие.
Таким образом, в современной науке слово силаупотребляется в двух смыслах: во-первых, в смысле механической силы, здесь онаявляется точ­ной количественной мерой взаимодействия, и, во-вторых, обозначаетна­личие взаимодействия определенного типа, точной количественной меройкоторого может быть только энергия.
Билет № 3
Импульсом тела или количествомдвижения называют произведение массы тела на его скорость. P – векторнаявеличина. Направление импульса тела совпадает с направлением скорости.
Совокупность телвзаимодействующих между собой и рассматриваемых как единое целое, называютмеханической системой. Силы, действующие в механической системе, подразделяютсяна две группы: внутренние силы, т.е. силы взаимодействия между телами, входящимив систему, и внешние силы, т.е. силы, действующие на тела системы со сторонытел, не принадлежащих ей. Если на механическую систему внешние силы недействуют или их равнодействующая сила равна нулю, то такую систему называютзамкнутой (или изолированной).
Рассмотрим замкнутую механическуюсистему, состоящую только из двух тел. Пусть импульсы этих тел равны /> и />.В какой-т момент времени они сталкиваются. В результате импульс первого теластановится равным />, а второго />. Во время удара на первоетело действует сила />, а на второе — />, которые, согласно третьемузакону Ньютона, равны по модулю и противоположны по направлению, т.е. />. Под действием этих силизменяются импульсы взаимодействующих тел. Используя второй закон Ньютона,запишем: />где t – время, в течение которогодействуют силы, равное времени соударения тел. Но />,поскольку, согласно третьему закону Ньютона />.С учетом этого получаем />.Отсюда, />. Левая часть этогоравенства представляет собой импульс механической системы после взаимодействия(после столкновения тел), а правая – до взаимодействия. Поэтому можно сделатьвывод, что импульс замкнутой механической системы, состоящей из двух тел неменяется. Это справедливо и для механической системы. Состоящей из любого числател. Итак, импульс замкнутой механической системы постоянен при любыхвзаимодействиях тел, принадлежащих этой системе, т.е. />   - закон сохраненияимпульса
Можно назвать много явлений, в основе которых лежитзакон сохра­нения импульса — отдача орудий и огнестрельного оружия привыстреле, действие реактивных двигателей и т.д. В механике закон сохраненияимпульса является следствием законов Ньютона, являющихся основными за­конамидинамики. Однако этот закон универсален и имеет место и в мик­ромире, гдезаконы ньютона неприменимы.
Билет № 4
Эти силы получили название гравитационных сил.Ньютон установил закон, называемый законом всемирного тяготения: силы, скоторыми притягиваются две материальные точки, прямо пропорциональныпроизведению их масс, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними  инаправлены вдоль прямой, соединяющей их.
/>
где М и m — массы тел, r — расстояние между телами, g — гравитацион­ная постоянная.Эта формула применима и для вычисления силы притяжения двух однородных шаров.Однако расстояние в этом случае берется между центрами шаров.
Выясним физический смыслгравитационной постоянной. Из формулы следует, что при m=M=1 кг и r=1м, g = F, т.e. гравитационная постоянная равна модулю силы притяжения материальныхточек единичной массы находящихся на единичном расстоянии друг от друга.Впервые опытное доказательство закона всемирного тяготения проведено Кавен­дишем.Он сумел определить величину гравитационной постоянной. По современным данным g = 6,67*10-11Н*м2/кг2. Очень малая величина  g указывает  на то, что сила гравитационного взаимодействия значительнатолько в случае тел с большими массами.
    Сила, с которой телопритягивается к Земле, называется силой тяжести. Сила тяжести приложена кцентру тяжести Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору илирастягивает подвес. Вес тела приложен к опоре или подвесу. Он равен по модулюсиле реакции опоры (подвеса).
Пусть тело массой m находится в лифте, поднимающимся вертикально вверх спостоянным ускорением а  а). Найдём вес, которым будет об­ладать тело. На телодействуют сила тяжести mg и сила реакции опоры N. Тогда, согласно второму закону Ньютона, запишем />. Пере­пишем его в скалярномвиде в проекции на координатную ось y: />. Отсюда, />, т.е. модуль веса тела,равный модулю силы реакции опоры, больше модуля силы тяжести. Такое состояниеназывается перегрузкой. Предположим теперь, что лифт опускается с ускорением a. б) В этом случае второй законНьютона в скалярной форме имеет вид  />и />. Таким образом, вес теламеньше силы тяжести. Если a=g, то как следует из последней формулы, N=0, т.е. и вес тела равен нулю. Такое состояниеназывают невесомостью. Из рассмотренного примера следует, что невесомостьвозникает в случае, когда тело движется только под действием силы тяжести, т.е.под действием гравитационной силы. Из этого вытекает вывод, невесомостьнаблюдается при движении тела только под действием гравитационных сил.
Билет № 5
Колебаниями называются процессы, характеризуемыеопределённой повторяемостью со временем. Процесс распространения колебаний впространстве называют волной. Можно без преувеличения сказать, что мы живём вмире колебаний и волн. Действительно, живой организм существует благодаряпериодическому биению сердца, наши лёгкие колеблются при дыхании. Человекслышит и разговаривает вследствие колебаний его барабанных перепонок иголосовых связок. Световые волны (колебания электрических и магнитных полей)позволяют нам видеть. Современная техника также чрезвычайно широко используетколебательные процессы. Достаточно сказать, что многие двигатели связаны сколебаниями: перио­дическое движение поршней в двигателях внутреннего сгорания,движе­ние клапанов и т.д. Другими важными примерами являются переменный ток,электромагнитные колебания в колебательном контуре, радиоволны и т.д. Как видноиз приведённых примеров, природа колебаний различна. Однако они сводятся к двумтипам — механическим и электромагнитным колебаниям. Оказалось, что, несмотря наразличие физической природы колебаний, они описываются одинаковымиматематическими уравнения­ми. Это позволяет выделить в качестве одного изразделов физики учение о колебаниях и волнах, в котором осуществляется единыйподход к изуче­нию колебаний различной физической природы.
Любая система, способная колебаться или вкоторой могут происходить колебания, называется колебательной. Колебания, происходящие в колебательной системе,выведенной из состояния равновесия и представленной самой себе, называютсвободными колебаниями. Свободные колебания являются затухающими, так какэнергия, сообщенная колебательной системе, постоянно убывает.
Гармонические колебания. Гармоническими называютколебания, при которых какая-либо физическая величина, описывающая процесс, из­меняетсясо временем по закону косинуса или синуса:
/>
Выясним физический смысл постоянных A, w, a, входящих в это уравнение.
Константа А называется амплитудойколебания. Амплитуда – это наибольшее значение, которое может приниматьколеблющаяся величи­на. Согласно определению, она всегда положительна.Выражение wt+a, стоящее под знаком косинуса,называют фазой колебания. Она позволяет рассчитать значение колеблющейсявеличины в любой момент времени. Постоянная величина a представляет собой значение фазыв момент вре­мени t =0 и поэтому называется начальной фазой колебания. Значениеначальной фазы определяется выбором начала отсчёта времени. Величина w получила название циклическойчастоты, физический смысл которой связан с понятиями периода и частотыколебаний. Периодом незатухаю­щих колебаний называется наименьший промежутоквремени, по истече­нии которого колеблющаяся величина принимает прежнеезначение, или коротко -  время одного полного колебания. Число колебаний,совершае­мых в единицу времени, называют частотой колебаний. Частота v связа­нас периодом Т колебаний соотношением v=1/T
Частота колебаний измеряется в герцах (Гц). 1 Гц частотапериодиче­ского процесса, при котором за 1 с происходит одно колебание. Найдём связь между частотой и циклической частотойколебания. Используяформулу, находимзначения колеблющейся величины в моменты времени t=t1 и t=t2=t1+T, где Т — период колебания.
/> />
Согласно определению периода колебаний, />Это возможно, ес­ли />, поскольку косинус — периодическая функция спериодом 2p радиан.Отсюда />. Получаем />. Из этого соотношенияследует физический смысл циклической частоты.  Она показывает, сколькоколебаний совершается за 2p секунд.
Свободные колебания колебательнойсистемы являются затухающими. Однако на практике возникает потребность всоздании незатухающих ко­лебаний, когда потери энергии в колебательной системекомпенсируются за счёт внешних источников энергии. В этом случае в такойсистеме воз­никают вынужденные колебания. Вынужденными называют колебания,происходящие  под действием периодически изменяющегося воздействия, асамивоздействия — вынуждающими. Вынужденные колебания происхо­дят с частотой,равной частоте вынуждающих воздействий. Амплитуда вынужденных колебанийвозрастает при приближении частоты вынуж­дающих воздействий к собственнойчастоте колебательной системы. Она достигает максимального значения приравенстве указанных частот. Явле­ние резкого возрастания амплитуды вынужденныхколебаний, когда час­тота вынуждающих воздействий равна собственной частотеколеба­тельной системы, называется резонансом.
Явление резонанса широко используется в технике. Ономожет быть как полезным, так и вредным. Так, например, явление электрическогоре­зонанса играет полезную роль при настройке радиоприемника на нужнуюрадиостанцию изменяя величины индуктивности и ёмкости, можно до­биться того,что собственная частота колебательного контура совпадёт с частотойэлектромагнитных волн, излучаемых какой-либо радиостанцией. В результате этогов контуре возникнут резонансные колебания данной частоты, амплитуды жеколебаний, создаваемых другими станциями, будут малы. Это приводит к настройкерадиоприёмника на нужную станцию.
Билет № 6
При изучении механики былирассмотрены законы, управляющие движением тел. При этом совсем не интересуютсястроением этих тел и их свойствами, поскольку в механике важно лишь каковамасса тела, каковы его размеры, форма и агрегатное состояние. Для изучениядвижения тел этого, как правило, достаточно. Однако совершенно очевидно, чтоокру­жающее нас тела отличаются друг от друга многими другими свойствами:тепловыми, электрическими, оптическими и т.д. Свойства же тел завися тот ихстроения, от связи молекул или атомов друг с другом и от многого другого.Поэтому, в первую очередь, важно знать строение вещества. Этот вопрос иявляется одним из основных в курсе, называемом молекулярная физика.
Молекулярная физика— это раздел физики, в которомрассматрива­ются свойства тел (газы, жидкости, твердые тела), состоящих изогромного числа молекул и атомов. практической деятельности человека жизненнонеобходимо знание тепловых свойств различных тел и систем, так как на такомзнании основывается работа тепловых машин, без которых челове­чествосуществовать уже не может. Поэтому вопросы теплоты, энергии систем, превращенияэнергии в работу составляют основу молекулярной физики и термодинамики.
Молекулярно-кинетической теориейназываютучение о строении и свойствах вещества, использующее представления осуществования ато­мов и молекул как наименьших частиц вещества. Способностьгазов зани­мать весь предоставленный ему объем, упругость газов, жидкостей итвёр­дых тел, теплопроводность, диффузии и т.д. объясняются, если принятьследующие положения молекулярно-кинетической теории строения веще­ства:
1.Все тела состоят измолекул, атомов или ионов.
2.Молекулы (атомы), из которых состоят тела, находятся внепрерыв­ном хаотическом движении, называемом тепловым.Интенсивностьэтого движения возрастает с повышением температуры.
3.Молекулы (атомы) взаимодействуют между собой.
Покажем на примере диффузии справедливость указанныхположений. Диффузией называют явление взаимного проникновения молекул одноготела между молекулами другого. Очевидно, что диффузии может происхо­дить лишьпри наличии движущихся молекул. Скорости теплового движе­ния молекул велики (вгазах несколько сотен метров в секунду). Поэтому процесс диффузии должен быбыть практически мгновенным. Однако в действительности скорость диффузииконечна. Это указывает на то, что молекулы сталкиваются друг с другом, т.е.взаимодействуют между собой. С повышением температуры диффузия происходитбыстрее. Это свиде­тельствует о возрастании скорости теплового движениямолекул.
Другим подтверждениемправильности положений молекулярно-­кинетической теории является броуновскоедвижение, названное в честь учёного Броуна, впервые наблюдавшего его. Если вжидкость поместить мельчайшие частички вещества и следить за их поведением вмикроскоп, то можно заметить, что частицы движутся беспорядочно. Этообъясняется следующим образом. Вследствие хаотичного движения молекул можетоказаться, что число ударов молекул о частицу с одной стороны больше, чем спротивоположной. В результате этого на неё будет действовать сила, поддействием которой она движется. Так как движение молекул хаотиче­ское, тонаправление силы непрерывно меняется, а следовательно, изменя­ется инаправление движения частицы.
Массыи размеры молекул очень малы. (D»10-8 см»10-10м).
Любое вещесвосостоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональнымчислу частиц. Количество вещества равно отношению числа молекул в данном теле кпостоянной Авогадро. (/>). Относительнаямолекулярная масса – это величина, равная отношению массы молекул данноговещества к 1/12 массы атома углерода С12 .
 Моль– это такое число частиц, равное числу атомов в 12 г углерода. Это число и естьчисло Авогадро. (NA= 6*1023 моль-1).
Молярнаямасса – это количество вещества, взятая в количестве 1 моля.
 />
/>
/>
g — количествовещества или число молей.
[g]= моль [m]= кг/моль
Билет № 7
 
1. Важным понятием в молекулярнойфизике и термодинамике является понятие термодинамической системы, крассмотрению которого мы и пе­реходим.
1.Термодинамической системой (или просто системой)называют совокупность большого числа молекул, атомов или ионов, находящихся втепловом движении и взаимодействующих между собой. Такими система­ми являютсятвёрдые тела, жидкости, газы. Состояние термодинамической системыхарактеризуется совокупностью небольшого числа физических величин, называемыхпараметрами состояния. Например, для газа в ка­честве таких параметров обычноиспользуют давление, объём и темпера­туру Простейшей термодинамической системойявляется идеальный газ.
 2. Газ называют идеальным, если выполняются следующие условия:
а) Размеры молекул исчезающе малы
б) Силыпритяжения между молекулами отсутствуют.
в)Столкновения молекул между собой и со стенками сосуда упругие, те. в результатеэтих соударений кинетическая энергия и импульс всех молекул, находящихся в сосуде,не изменяется.
Хотя идеальных газов вприроде не существует, реальные газы при обычных условиях (при малых давленияхи не слишком низких темпера­турах) в достаточно хорошем приближении можнорассматривать как иде­альные.
 
З. Основным уравнением  молекулярно-кинетическойтеории иде­ального газа принято называть соотношение, связывающее давлениегаза и кинетическую энергию поступательного движения молекул, содержа­щихся вединице объёма Запишем уравнение без вывода.
/>
т.е. давление газа равно двум третям  кинетическойэнергии поступательного  движения  молекул, находящихся в единице объёма
2.Температура — одно из основных понятий физики. Онахарактеризует степень нагретости тела. Первоначально это понятие возникло изнаших ощущений холодное, теплое, горячее. Однако такой критерий крайнесубъективен, поскольку ощущения зависят от состояния человека. Напри­мер, еслиодну руку подержать в холодной воде, а другую — в горячей, а затем опустить ихв воду комнатной температуры, то ощущения для них будут различными. Поэтомунеобходимо ввести объективный критерий для измерения температуры. Так, втермодинамике температуру связывают с теплообменом, т.е. передачей энергии отодного тела к другому без со­вершения работы. Известно, что перенос энергииосуществляется от тела с более высокой температурой к телу с более низкой. Еслитеплообмен не происходит, то температуры этих тел одинаковы. Такое состояниеназыва­ется тепловым равновесием.
Физический смысл температурыраскрывается в молекулярной физике. При тепловом движении молекулы газанепрерывно сталкиваются между собой. Это приводит к тому, что скорости молекул,а следовательно, и их кинетические энергии при любой температуре различим.Поэтому можно говорить о средней кинетической энергии поступательного движениямо­лекул. Из молекулярно-кинетической теории идеального газа известно, чтосредняя кинетическая энергия /> поступательногодвижения молекул связана с абсолютной температурой Т соотношением />
где k — постоянная Больцмана. Это соотношениесвидетельствует о том, то средняя кинетическая энергия молекул смеси будетодинаковой, несмотря на различие масс молекул. Выражение), полученное дляидеального газа, справедливо и для любых термодинамических систем. Из этоговыражения вытекает важнейшее положение молекулярно-­кинетической теории:абсолютная температура является мерой сред­ней кинетической энергиипоступательного движения молекул.
Из формулы видно также, что абсолютная температураявляется сугубо положительной величиной, поскольку средняя кинетическая энер­гияотрицательной быть не может. Нулевой уровень температуры по абсо­лютной шкаленазывают абсолютным нулём. Это предельно низкая тем­пература, которая впринципе не достижима.
В физике рассматриваются дветемпературные шкала — это шкала Кельвина (абсолютная шкала) и шкала Цельсия.Реперной (опорной) точ­кой на шкале Кельвина является тройная точка воды, т.е.такое состояние, при котором вода одновременно находится в трёх агрегатныхсостояниях -твёрдом, жидком и газообразном. Этому состоянию приписывается аб­солютнаятемпература 273,16 К. Поэтому 1/273,16 часть этой температуры равна 1К. у шкалыЦельсия две реперные точки — температура таяния льда принимается за       0 °С,а кипения воды — за 100 °С при нормальном атмосферном давлении. Одна сотаячасть этого интервала температур рав­на 1 °С. Данные температурные шкалысвязаны соотношением ТК = t°C + 273,15, из которого следует, что один градус Цельсия равен одному Кельвину.
Билет № 8
1. Из основного уравнениямолекулярно-кинетической теории идеально­го газа выводятся газовые законы,открытые опытным путем.
Согласно соотношению />запишем    />
где Р — давление газа, />—кинетическая энергия поступательного дви­жения молекул, находящихся в единицеобъёма. Кинетическую энергию молекул можно выразить через среднюю кинетическуюэнергию /> од­ной молекулы: /> где n — число молекул вединице объёма. Но />
Здесь k — постоянная Больцмана, Т — абсолютнаятемпе­ратура газа. Подставляя это выражение в находим
/>
Учитывая, что n = N/V. где N—число молекул газа в объёме V. получаем
/>
Это соотношение называетсяуравнением состояния идеального газа.
Уравнение состояния идеальногогаза неудобно тем, что в него входит числомолекул N, которое нельзя непосредственно измерить. По­этому придадим ему такуюформу, чтобы величины, входящие в него, можно было измерить. Обозначим через />массу одной молекулы. Тогда,очевидно, />, где m — масса газа.Умножим и разделим правую часть этогоравенства на />
/>
так как /> - масса одного моля илимолярная масса. (Напомним, что число Авогадро показывает, сколько молекулнаходятся в одном моле вещества, а один моль — это количество вещества,выраженное в граммах, равное относительной молекулярной массе). Подставляявыражение
находим />. Введём новую постоянную  /> Ее называют универсальнойгазовой постоянной. Тогда
                                                                                     />
Соотношение (25.5) называетсяуравнением Менделеева — Клапейрона.
Оно связывает между собойпараметры состояния идеального газа и по­зволяет предсказывать состояние газа.
2. Переход термодинамической системы из одного состоянияв другое называют термодинамическим процессом (или процессом). При этомизменяются параметры состояния системы. Однако возможны процессы, называемыеизопроцессами, при которых один их параметров состояния остаётся неизменным.Существует три изопроцесса: изотермический, изо­барический (изобарный) иизохорический (изохорный). Изотермическим называют процесс, происходящий принеизменной температуре (Т= соnst); изобарическим процессом — при постоянном давлении (P = const), изо­хорическим- при неизменном объёме (V= const).
Из уравнения Менделеева — Клапейрона как частные случаи можно получить все газовые законы, открытые опытным путём. Выведем закон Бойля — Мариотта. Если масса и температура газапостоянны (m=const, T=const), то правая часть /> равенствабудет постоянной. Поэтому  />
т.е.      для данной массы газа при неизменной температурепроизведение давления газа на его объём -  величина постоянная. График:изотерма
Для изобарического процесса справедлив законГей-Люссака. Из уравнения Менделеева — Клапейрона  следует />. Если масса и давление газа постоянны, то /> и
/>
Соотношение называется законом Гей-Люссака: для данноймассы газа при постоянном давлении объём газа пропорционален его темпе­ратуре.На рис. 26.2 показан график зависимости объёма от температуры.
В случае изохорического процесса справедлив закон Шарля.Из уравнения Менделеева -  Клапейрона следует, что/>.Если масса и объём газа постоянны, то /> и
/>
Уравнение  называют законом Шарля: для данной массы газапри постоянном объёме давление газа пропорционально его температуре.
График:  изохора.
Билет № 9
1. Испарение и конденсация.Процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное состояниеназывается парообразованием, обратный процесс превращения вещества изгазообразного состояния в жидкое называют конденсацией. Существуют два видапарообразования — испарение и кипение. Рассмотрим сначала испарение жидкости.Испарением называют процесс парообразования, происходящий с открытой поверхностижидкости при любой температуре. С точки зрения молекулярно-кинетической теорииэти процессы объясняются следующим образом. Молекулы жидкости, участвуя втепловом движении, непрерывно сталкиваются между собой. Это приводит к тому,что некоторые из них приобретают кинетическую энергию, достаточную дляпреодоления молекулярного притяжения. Такие молекулы, находясь у поверхностижидкости, вылетают из неё, образуя над жидкостью пар (газ). Молекулы пар~двигаясь хаотически, ударяются о поверхность жидкости. При этом часть из нихможет перейти в жидкость. Эти два процесса вылета молекул жидкости и ахобратное возвращение в жидкость происходят одновременно. Если число вылетающихмолекул больше числа возвращающихся, то происходит уменьшение массы жидкости, т.е.жидкость испаряется, если же наоборот, то количество жидкости увеличивается,т.е. наблюдается конденсация пара. Возможен случай, когда массы жидкости ипара, нахо­дящегося над ней, не меняются. Это возможно, когда число молекул, по­кидающихжидкость, равно числу молекул, возвращающихся в неё. Такое состояние называетсядинамическим равновесием, а пар, находящийся в динамическом равновесии со своейжидкостью, называют насыщенным. Если же между паром и жидкостью нетдинамического равновесия, то он называется ненасыщенным. Очевидно, чтонасыщенный пар при данной температуре имеет определённую плотность, называемуюравновесной.
Это обусловливает неиз­менность равновесной плотности, а следова­тельно, и давления насы­щенногопара от его объ­ёма при неизменной тем­пературе, поскольку уменьшение или увели­чение объёма этогопара приводит к конденсации пара или киспарению жидкости соответственно. Изотерма насыщенного пара при некоторойтемпературе в координатной плоскости Р, V представляет собой прямую, параллельную оси V   С повышением температуры термодина­мической системы жидкость — насыщенный парчисло молекул, поки­дающих жидкость за некоторое время, превышает количествомолекул, возвращающихся из пара в жидкость. Это продолжается до тех пор, покавозрастание плотности пара не приводит к установлению динамического равновесияпри более высокой температуре. При этом увеличивается и давление насыщенныхпаров. Таким образом, давление насыщенных паров зависит только от температуры.Столь быстрое возрастание давления насыщенного пара обусловлено тем, что сповышением температуры происходит рост не только кинетической энергиипоступательного движения молекул, но и их концентрации, т.е. числа молекул вединице объема
При испарении жидкость покидают наиболее быстрые молекулы,вследствие чего средняя кинетическая энергия поступательного движенияоставшихся молекул уменьшается, а следовательно, и температура жидко­стипонижается (см. §24). Поэтому, чтобы температура испаряющейся жидкостиоставалась постоянной, к ней надо непрерывно подводить опре­делённое количествотеплоты.
Количество теплоты, котороенеобходимо сообщить единице массы жидкости, для превращения её в пар принеизменной температуре называется удельной теплотой парообразования. Удельнаятеплота парообразования зависит от температуры жидкости, уменьшаясь с еёповышением. При конденсации количество теплоты, затраченное на испарениежидкости, выделяется.
2. Влажность. В атмосфере всегда содержится некотороеколичество водяных паров. Степень влажности является одной из существенныххарактеристик погоды и климата и имеет во многих случаях практическое значение.Так, хранение различных материалов (в том числе цемента, гипса и другихстроительных материалов), сырья, продуктов, оборудования и т.п. должнопроисходить при определенной влажности. К помещениям,  в зависимости от ихназначения, также предъявляются соответствующие требования по влажности.
Для характеристики влажностииспользуется ряд величин. Абсолют­ной влажностью р называется масса водяногопара, содержащегося в единице объёма воздуха. Обычно она измеряется в граммахна кубический метр (г/м3). Абсолютная влажность связана спарциальным давлением  Р водяного пара уравнением Менделеева – Клапейрона />, где V — объём, занимаемый паром, m, Т и m — масса, абсолютная температураи молярная масса водяного пapa, R —универсальная газовая постоянная (см. (25.5)). Парциальным давлением называетсядавление, которое оказывает водяной пар без учёта действия молекул воздухадругого сорта. Отсюда />, так как р = m/V—плотность водяного пара.
В определённом объёме воздуха приданных условиях количество во­дяного пара не может увеличиваться беспредельно,поскольку существуеткакое-то предельноеколичество паров, после чего начинается конденса­ция пара. Отсюда появляетсяпонятие максимальной влажности. Макси­мальной влажностью Pm называют наибольшееколичество водяного па­ра в граммах, которое может содержаться в 1 м3 воздухапри данной тем­пературе (по смыслу это есть частный случай абсолютнойвлажности). По­нижая температуру воздуха, можно достичь такой температуры,начиная с которой пар начнёт превращаться в воду — конденсироваться. Такая тем­пepaтypaносит название точки росы. Степень насыщенности воздуха во­дяными парамихарактеризуется относительной влажностью. Относительной влажностью b называют отношение абсолютнойвлажности р к максимальной Pm т.е. b=P/Pm. Часто относительную влажность выражают  в процентах.
Существуют различные методы определения влажности.
1.     Наиболее точным являетсявесовой метод. Для определения влажно­сти воздуха его пропускают через ампулы,содержащие вещества, хорошо поглощающие влагу. Зная увеличение массы ампул иобъём пропущенного воздуха, определяют абсолютную влажность.
2.     Гигрометрические методы.Установлено, что некоторые волокна, в том числе человеческий волос, изменяютсвою длину в зависимости от от­носительной влажности воздуха. На этом свойствеоснован прибор, назы­ваемый гигрометр ом. Имеются и другие типы гигрометров, втом числе и электрические.
З.    Психрометрический метод — это наиболеераспространенный ме­тод измерения. Суть его состоит в следующем. Пусть дваодинаковые тер­мометра находятся в одинаковых условиях и имеют одинаковыепоказания. Если же баллончик одного из термометров будет смочен, например,обернут мокрой тканью, то показания окажутся различными. Вследствие испаренияводы с ткани так называемый влажный термометр показывает более низкуютемпературу, чем сухой. Чем меньше относительная влажность окружающего воздуха,тем интенсивнее будет испарение и тем ниже показание влажного термометра. Изпоказаний термометров определяют разность температур и по специальной таблице,называемой психрометрической, определяют относительную влажность воздуха.
Билет № 10
Твёрдые тела бывают аморфными икристаллическими. Аморфными. называют тела, в которых атомы или молекулырасположены беспорядоч­но. Примерами этих тел являются янтарь, стекло,пластмассы и т.д. Аморфные тела являются изотропными, т.е. их физическиесвойства оди­наковы по всем направлениям. Твёрдые тела, атомы или молекулы кото­рыхрасположены в определённом порядке, называются кристаллами. Все кристаллическиетела делятся на монокристаллы и поликристаллы. Монокристаллы представляют собойодиночные кристаллы, имеющие единую кристаллическую решетку. Монокристаллывстречаются в приро­де в естественных условиях (кварц, поваренная соль, рубиналмазы и т.д.). Создав специальные условия (удаление примесей, очень медленноеохла­ждение расплавов и т.д.) их можно вырастить искусственно. Физиче­скиесвойства (механические, теп­ловые, электрические, оптические) монокристаллов,как правило, раз­личны по различным направлениям. Как показатель преломлениякри­сталла исландского шпата зависит от того, как на него падает луч све­та.Такое свойство кристаллических тел называется‚ анизотропностью. Поликристаллыпредставляют собой совокупность большого числа срос­шихся между собой ихаотически ориентированных маленьких монокристаллов, называемых кристалли­тами.Такое поликристаллическое тело в целом изотропно, хотя каждый кристаллит сам посебе анизотропен. Поликристаллы получаются, как пра­вило, путём кристаллизациижидкого вещества при охлаждении его в обычных условиях.
Для наглядного представления структуры кристалловприменяется способ изображения его с помощью кристаллической решётки. Кристал­лическойрешёткой называется пространственная сетка, узлы которой совпадают с центрамиатомов или молекул в кристалле .
По характеру взаимодействиячастиц (атомов, молекул, ионов), распо­ложенных в узлах кристаллическойрешётки, различают четыре типа кри­сталлов: атомные, ионные, металлические имолекулярные кристаллы.
1. Ионные кристаллы. Вузлах кристаллической решётки этих кри­сталлов располагаются новы разныхзнаков, причём они чередуются меж­ду собой. Силы взаимодействия между нимиэлектростатические (кулоновские). Связь, обусловленная кулоновскими силамипритяжения, называется ионной или гетерополярной. В ионном кристалле нельзя вы­делитьотдельные молекулы. Примерами ионных кристаллов являются га­лоидные соединениящелочных металлов (NaC1, KBr, KCI и другие), а также оксиды различных элементов(CaO, MgO и т.д.).
2.      Атомные кристаллы.В этих кристаллах в узлах кристаллической решётки находятся нейтральные атомы,которые удерживаются в них так называемыми ковалентными связями. Ковалентнаясвязь возникает толь­ко между двумя атомами парами валентных электронов (поодному от ка­ждого атома), движущихся по орбитам, охватывающих оба атома. Поэто­мучисло связей, в которых может участвовать данный атом, а следова­тельно, ичисло соседних атомов, связанных с ним, равно его валентности. Атомнымикристаллами являются алмаз, кремний, германий и т.д. В пере­численныхкристаллах каждый атом, например кремний, окружен четырь­мя такими же атомами,поскольку его валентность равна четырём. Атомы образуют кристаллическуюструктуру, в которой один атом расположен в центре тетраэдра, а четыре — в еговершинах. При этом ковалентная связь образуется между центральным атомом иатомами в вершинах тетраэдра.
3. Металлические кристаллы.Во всех узлах кристаллической решёт­ки расположены положительные ноны. Этообъясняется тем, что при обра­зовании кристаллической решётки валентныеэлектроны, наиболее слабосвязанные с атомами, отрываются от атомов иколлективизируются, т.е. они уже принадлежат не одному атому, а всему кристаллув целом. Поэто­му в металлах между положительными нонами хаотически движутсяэлек­троны, взаимодействие которых с положительными нонами металла и приводит квозникновению сил притяжения, компенсирующих силы от­талкивания ионов иобразованию кристалла.
4.    Молекулярные кристаллы. В узлахкристаллической решётки рас­полагаются молекулы, ориентированные определённымобразом. Силы, образующие кристалл, имеют электростатическое происхождение.Следу­ет отметить, что многие свойства тел, такие как трение, прилипание, сцеп­ление,поверхностное натяжение, вязкость и т.д. являются проявлениемэлектростатических сил. К молекулярным кристаллам относятся лёд, йод, парафин,большинство твёрдых органических соединений и т.п., а также водород, аргон,метан и другие газы после превращения их в твёрдые тела.
2. При строительстве и конструировании различныхсооружений, в том числе и строительных, необходимо знать механические свойстваисполь­зуемых материалов: бетона, железобетона, стали, пластмасс и т.д. Поэтомурассмотрим лишь механические свойства твёрдых тел.
1.     Основные понятии.деформацией называется изменение формы и размеров тела под действиемприложенных сил. Различают два вида де­формации — упругую и пластическую.Упругой называют деформацию, которая исчезает после прекращения действияприложенных сил. Если же после снятия сил тело не возвращается в исходноесостояние, то такая деформация называется пластической (неупругой). Виддеформации за­висит от материала тела и от величины приложенного усилия.Механиче­ским усилием (усилием) р называют внешнюю силу, отнесённую к единицеплощади, т.е.
/>
где F— сила, действующая на площадку S. При деформации в теле возни­каютcилы, противодействующие внешним силам. Их называют упругими. Упругаясила, отнесённая к единице площади, называется механическим напряжением (напряжением)
/>
где Fупрсила, действующая на площадку S.
Деформацию тел оцениваютабсолютной и относительной деформацией. Абсолютной деформацией       DХ называют разность конечного Х и начального Х0  размера тела, т.е.
/>
Абсолютная деформация прирастяжении положитель­ная, а при сжатии — отрицательная. Относительной деформациейeназывается отношениеабсолютной де­формации к первоначальному размеру  тела, т.е.
/>
Относительная деформацияпоказывает, на какую часть изменились пер­воначальные размеры тела. Существуютразличные виды деформации:
продольное растяжение (илисжатие), сдвиг, кручение, изгиб. Рассмотрим некоторые из них.
2.   Продольное растяжение (илисжатие). Простейшим видом дефор­мации твёрдого тела является продольноерастяжение (сжатие). Оно воз­никает в тонком стержне, один конец которогозакреплён, а к другому вдоль его оси приложена сила Г, равномернораспределённая по попереч­ному сечению стержня В результате этого длина стержняиз­меняется от /> до /> Гук показал, что приупругой деформации удлинение(сокращение) />стержняпропорционально приложенной силе
/>
где k—  коэффициент пропорциональности.Это соотношение называют закономГука. Однакоудлинение (сжатие) тела зависит не только от приложенной силы, но и от егогеометрической формы и размеров, а также от материала, из которого оно сделано.Опытным путём установлено, что чем длиннее стержень, тем он больше удлиняется(сокращается) при данной силе, и чем больше площадь его поперечного сечения,тем его удлинение (сокращение) меньше. Это утверждение можно записатьматематически следующим образом:
/>
где l0и S — длина и площадьпоперечного сечения стержня, Dl — измене­ние длины стержня под действием силы F, Е — модуль Юнга.Но, усилие, действующее на стержень, равно F/S =  р, так как силаравномерно распределена по сечению, и Dl/I0 = e — относительное удли­нение (сжатие) стержня Тогда соотношение запишется в виде />
т.е.  в пределах упругостиотносительная деформация пропорциональ­на усилию, приложенному к телу.
Усилие, приложенное к телу,одинаково в любом поперечном сечении стержня. Оно вызывает появление внутристержня напряжении, которые также будут одинаковы по всей его длине иравны усилию по модулю, но  противоположны по направлению, т.е. />. С учётом этого выражениезапишется:
/>
Таким образом, напряжениеупруго-деформированного тела пропорцио­нально его относительной деформации.
Модуль Юнга является важнойхарактеристикой материала, из которо­го изготовлено тело, независимо от егоформы и размеров. Он измеряется в паскалях (Па). Выясним физический смыслмодуля Юнга. Из (42.7) сле­дует, что если е = 1 (когда Al = ‘о), то Е= р, т.е. модуль Юнга равен усилию, которое надо приложить ктелу, чтобы изменить его длину вдвое при сохранении упругой деформации. Вдействительности же подавляюще число материалов разрушается значительно раньше,чем это произойдёт. Следовательно, величина Е вычисляется, а неизмеряется непосредствен­но. Наиболее удобным способом исследования механическихсвойств твёрдого тела является его испытание на растяжение и построениедиаграмм растяжения, т.е. зависимости между относительным удлинением e и усилием p.
Билет № 26
1. Радиоактивность. Процесс самопроизвольногораспада атомных ядер называют радио­активностью. Радиоактивный распад ядерсопровождается  превращени­ем одних нестабильных ядер в другие и испусканиемразличных частиц. Было установлено, что эти превращения ядер не зависят отвнешних усло­вий: освещения, давления, температуры и т.д. Существует два видарадио­активности: естественная и искусственная. Естественная радиоактивностьнаблюдается у химических элементов находящихся в природе. Как прави­ло, онаимеет место у тяжёлых ядер, располагающихся в конце таблицы Менделеева, засвинцом. Однако имеются и лёгкие естественно-радиоактивные ядра: изотоп калия />, изотоп углерода /> и другие. Искусственнаярадиоактивность наблюдается у ядер, полученных в лабо­ратории с помощью ядерныхреакций. Однако принципиального различия между ними нет.
Известно, что естественная радиоактивность тяжёлыхядер сопровож­дается излучением, состоящим из трёх видов: a-, b-,g-лучи. a-лучи- это поток ядер гелия /> обладающихбольшой энергией, которые имеют дискретные значения. b-лучи -  поток электронов, энергии которых при­нимаютвсевозможные значения от величины, близкой к нулю до 1,3 МэВ. g-лучи — электромагнитные волны с очень малойдлиной волны.
Радиоактивность широкоиспользуется в научных исследованиях и технике. Разработан метод контролякачества изделий или материалов – дефектоскопия. Гамма-дефектоскопия позволяетустановить глубину залегания и правильность расположения арматуры вжелезобетоне, выявить раковины, пустоты или участки бетона неравномернойплотности, случаи неплотного контакта бетона с арматурой. Просвечивание сварныхшвов позволяет выявить различные дефекты. Просвечиванием образцов извест­нойтолщины определяют плотность различных строительных материалов; плотность,достигаемую при формировании бетонных изделий или при укладке бетона в монолит,необходимо контролировать, чтобы получит заданную прочность всего сооружения.Степень уплотнения грунтов и до­рожных оснований — важный показатель качестваработ. По степени по­глощения g-лучей высокой энергии можно судить о влажности материа­лов. Построенырадиоактивные приборы для измерения состава газа, при­чём источником излученияв них является очень небольшое количество изотопа, дающего g-лучи. Радиоактивный сигнализаторпозволяет опреде­лить наличие небольших примесей газов, образующихся пригорении лю­бых материалов. Он подаёт сигнал тревоги при возникновении пожара впомещении.
2. Методы регистрации заряженных частиц. Внастоящее время хорошо установлено, что ядро атома имеет слож­ную структуру исостоит из протонов и нейтронов. Из рассмотрения явле­ния радиоактивностиследует, что ядра могут претерпевать существенные изменения. Всё это наводит намысль, что нуклоны могут превращаться друг в друга и сама структура протонов,нейтронов и даже электронов мо­жет быть сложной. Встаёт вопрос о том,существуют ли какие-то кирпичики мироздания (их физики назвали элементарнымичастицами), из кото­рых построено всё? Ответ оказался очень сложным, и сейчасещё на него нет окончательного ответа. В настоящее время физикам известны сотниэлементарных (или, как говорят, субъядерных) частиц. Изучением их за­нимаютсяучёные, работающие в области физики элементарных частиц. Каким же образом можно“увидеть’, зарегистрировать столь малые объек­ты, которые недоступны никакомумикроскопу? для этого разработан це­лый ряд хитроумных, весьма тонких способов,которые позволяют не только их зарегистрировать, распознать, но и увидеть ихвзаимные пре­вращения.
Рассмотрим только некоторые наиболее важные и широкоиспользуе­мые методы регистрации излучений. Элементарные частицы удаётся на­блюдатьблагодаря тем следам, которые они оставляют при своем прохож­дении черезвещество. Это связано с тем, что заряженные частицы вызывают ионизацию молекулна своём пути. нейтральные частицы, такие как нейтроны, следов не оставляют, ноони могут обнаружить себя в момента спада на заряженные частицы или в моментстолкновения с каким – либо ядром.
1.    Сцинцилляционные методы.Существует ряд веществ (бензол, нафталин, сернистый цинк с серебром и т.д.),которые дают световую вспышку (сцинцилляцию) при прохождении через нихионизирующего излучения. Эту вспышку можно зарегистрировать как просто глазом,так и соответствующим прибором, преобразующим световой сигнал в электри­ческий.
2.    Счётчик Гейгера. Этоустройство представляет собой стеклянную трубку, наполненную газом, в которуювведены два электрода. Одни явля­ется цилиндрической поверхностью, другойтонкой проволокой, про­ходящей с одного торца к другому, по оси цилиндра. Кэлектродам подво­дится напряжение. При пролёте через такую трубку заряженнойЧастицы, молекулы газа ионизируются, образовавшиеся ионы разгоняются электри­ческимполем и в свою очередь ионизируют другие молекулы, в результате чего образуетсялавина ионов. В этот момент по электрической цепи, в ко­торую включена трубка,проходит ток в виде импульса. Процесс повторя­ется при каждом пролёте частицы,и электронный прибор регистрирует и считает число пролетевших частиц. СчётчикГейгера играет весьт’4а боль­шую роль при изучении радиоактивности,радиоактивного заражения, при измерении доз, полученных в заражённых зонах.
3.    Метод толстослойныхфотопластин Заряженные частицы, прохо­дя через фотоэмульсию, вызывают такоеже действие, как свет. Поэтому после проявления фотоматериала в эмульсиипроявляется видимый след, который можно легко увидеть в микроскоп.
4.  Камера Вильсона.Принцип действия камеры основан на явлении конденсации пересыщенного пара припролёте через него заряженной час­тицы. дорожку из капелек жидкости можносфотографировать С несколь­ких точек и получить данные о пространственномрасположении траекто­рии полёта частицы. Если камеру поместить между полюсамиэлектромаг­нита, то в результате взаимодействия частицы с полем траекториичастицы будет искривляться и по этому искривлению можно определить знак заря­дачастицы и её импульс.
Биологическое действиерадиоактивных излучении Излучения радиоактивных веществ оказывают очень сильное воздействие навсе живые организмы. Даже сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощенииповышает темпера­туру тела лишь на 0,00 1 °С, нарушает жизнедеятельностьклеток.
Живая клетка — это сложныймеханизм, не способный про­должать нормальную деятельность даже при малыхповрежде­ниях отдельных его участков. Между тем даже слабые излучения способнынанести клеткам существенные повреждения и вызвать опасные заболевания (лучеваяболезнь). При большой интен­сивности излучения живые организмы погибают.Опасность излу­чений усугубляется тем, что они не вызывают никаких болевыхощущений даже при смертельных дозах.
Механизм поражающегобиологические объекты действия из­лучения еще недостаточно изучен. Но ясно, чтооно сводится к ионизации атомов и молекул и это приводит к изменению иххимической активности. Наиболее чувствительны к излучениям ядра клеток,особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому в первую очередь излученияпоражают костный мозг, из-за чего нарушается процесс образования крови. Далеенаступает пора­жение клеток пищеварительного тракта и других органов.
Сильное влияние оказываетоблучение на наследственность. В большинстве случаев это влияние являетсянеблагоприятным.
Облучение живых организмов можетоказывать и опреде­ленную пользу. Быстро размножающиеся клетки в злокачествен­ных(раковых) опухолях более чувствительны к облучению, чем нормальные. На этомосновано подавление раковой опухоли g-лучами радиоактивных препаратов, которые для этой целиболее эффективны, чем рентгеновские лучи.
Доза излучения. Воздействие излучений на живыеорганизмы характеризуется дозой излучения. Поглощенной дозой излученияD называетсяотношение поглощенной энергии Е ионизи­рующего излучения к массе гп облучаемоговещества:
/>
В СИ поглощенную дозу излучениявыражают в г р э я х(сокращенно: Гр). Грравен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж:
/>
Естественный фон радиации(космические лучи; радиоактив­ность окружающей среды и человеческого тела)составляет за год дозу излучения около />Грна человека. Международ­ная комиссия по радиационной защите установила для лиц,рабо­тающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр. Дозаизлучения в 3 – 10  Гр, полученная за короткое время, смертельна.
Защита организмов от излучения.При работе с любым источ­никомрадиации (радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необхо­димо принимать меры порадиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.
Самый простой метод защиты этоудаление персонала от источника излучения на достаточно большое расстояние.Даже без учета поглощения в воздухе интенсивность радиации убыва­ет опропорционально квадрату расстояния от источника. Поэтому ампулы срадиоактивными препаратами не следует брать руками. Надо пользоватьсяспециальными щипцами с длинной ручкой.
В тех случаях, когда удаление отисточника излучения на достаточно большое расстояние невозможно, используют длязащиты от излучения преграды из поглощающих материалов.
Наиболее сложна защита от g-лучей и нейтронов из-за ихбольшой проникающей способности. Лучшим поглотителем g-лу­чей является свинец.Медленные нейтроны хорошо погло­щаются бором и кадмием. Быстрые нейтроныпредварительно замедляются с помощью графита.
Билет № 11
1.Работав термодинамике. Пусть газ находится вцилиндрическом сосуде с площадью поперечного сечения S, закрытомподвижным поршнем. Нагреем газ, в результате чего его объем увеличивается.Найдем работу, совершаемую газом при его расширении. Она равна работе, которуюсовершает сила, действующая на поршень, при его перемещении. При движениипоршня в общем случае давление газа и сила F, приложенная кпоршню, изменяются. Поэтому рассмотрим случай расширения газа, когда егодавление остаётся постоянным. Предположим, что поршень переместился нарасстояние l. Механическая работа А находитсяпо формуле />так как угол /> между силой и перемещениемравен нулю и cosa = 1. Модуль силы F находим через давление Р, которое оказывает газ напор­шень: />. С учётом этого получаем А= PSl. Но DV= Sl — изменение объёма газа. Итак,
/>
2. Внутренняяэнергия.  Одним из важнейших понятийтермодинамики является внутренняя энергия. Внутренней энергиейтермодинамической системы называют сумму кинетической и потенциальной энергиивсех частиц, входящих в неё. Следовательно, внутренняя энергия состоит изкинетической энергии молекул (атомов) и потенциальной энергии электронов вмолекулах (атомах) и из внутриядерной энергии. Необходимо отметить, чтотермодинамика изучает лишь такие переходы термодинамической системы из одногосостояния в другое, при которых изменяются только кинетическая и потенциальнаяэнергия молекул (или атомов), из которых она состоит. Внутренняя энергия однозначно определяется параметрамисостояния и не зависит от пути перехода в это состояние. Выбор состояниясистемы, в котором внутренняя энергия принимается равной нулю, произволен.Обычно счи­тают, что внутренняя энергия равна нулю при температуре 0 К.
2.   В качестве примера найдёмвнутреннюю энергию идеального одноатомного газа, т.е. газа состоящего изатомов. Такими газами являются ге­лий, неон, аргон и другие. В идеальном газепритяжение между молекула­ми отсутствует. Поэтому их потенциальная энергияравна нулю. Тогда внутренняя энергия этого газа будет складываться только изкинетических энергий отдельных молекул. Вычислим сначала внутреннюю энергию од­ногомоля газа. Известно, что число молекул, наход5пцвхся в одном моле вещества,равно числу Авогадро NA. Согласно (24.1), средняя кинетиче­ская энергиямолекулы находится по формуле = (3/2) kТ. Следователь­но, внутренняя энергия Um одного моля идеального газаравна
/>
так как/>—универсальная газовая постоянная. Внутренняя энергия U произвольной массы газаm будет равна внутренней энергии одного моля, умноженной на число молей/>, где m  — молярная масса газа, т.е.
/>
Таким образом, внутренняя энергияданной массы идеального газа за­висит только от температуры и не зависит отобъёма и давления.
3.Первый законтермодинамики. Внутренняя энергия термодинамической системы подвоздействием ряда внешних факторов меняется, о чём, как видно из (27.2), можносудить по изменению температуры этой системы. Например, когда быстро сжать газ,то его температура повышается. Если привести в контакт два тела, имеющих разныетемпературы, то температура более холодного тела по­вышается, а более нагретогопонижается. В первом случае внутренняя энергия изменяется за счёт работывнешних сил, во втором происходит обмен кинетическими энергиями молекул, врезультате чего суммарная кинетическая энергия молекул нагретого телауменьшается, а менее нагре­того — возрастает. Это приводит к передаче энергииот горячего тела к холодному без совершения механической работы. Процесспередачи энерг­ии от одного тела к другому без совершения механической работыполучило название теплопередачи или теплообмен,. Передача энергии между телами,имеющими разные температуры, характеризуется величиной, на­зываемой количествомтеплоты или теплотой. Количество теплоты — это энергия, переданная путёмтеплообмена от одной термодинамиче­ской системы к другой вследствие разноститемператур этих систем.
Рассмотрение понятия внутренней энергии иколичества теплоты ис­пользуется в формулировке первого закона термодинамики,играющего первостепенную роль при изучении различного рода термодинамическихпроцессов.
В природе существует закон сохранения и превращенияэнергии, со­гласно которому энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишьперехо­дит из одного вида в другой. Этот закон применительно к тепловым про­цессамполучил название первого закона термодинамики. Отметим, что тепловымипроцессами называют процессы, связанные с изменением температурытермодинамической системы, а также с изменением агрегатного  состояниявещества. Если термодинамической системе сообщить некоторое количество теплоты Q, т.е. некоторую энергию, то за счёт этой энергии в общемслучае происходит изменение её внутренней энергии DU и система, расширяясь, совершает определённую механическуюработу А. Очевидно, что, согласно закону сохранения энергии, должно выполнятьсяравенство:
/>
т.е.       количество теплоты, сообщённоетермодинамической системе, расходуется на изменение её внутренней энергии и насовершение сис­темой механической работы при её расширении. Соотношениеназывают первым законом термодинамики.
Первый закон термодинамики обладает большойобщностью и универ­сальностью и может применяться для описания широкого кругаявлений.
 
Применениепервого закона термодинамики к различным процессам.
1.    Изохорический процесс.Поскольку при изохорическом процессе V = const, то изменение объёма DV= 0, и работа газа />, т.е. при этом процессе газне совершает механической работы. Тогда первый закон термодинамики запишется
/>
т.е.       при изохорическом процессе количествотеплоты, сообщённое газу, полностью расходуется на изменение его внутреннейэнергии.
Количество теплоты, переданноеили отданное термодинамической системе, определяется через теплоёмкостьсистемы. Теплоёмкость — это физическая величина, равная количеству теплоты,которое необходимо сообщить для нагревания системы на один градус. Очевидно,что теплоемкость системы зависит от её массы. Чем она больше, тем больше тепло­ёмкость.Поэтому вводят понятие удельной теплоёмкости. Удельная теплоемкость с равнаколичеству теплоты, которое надо сообщить единице массы вещества для повышениятемпературы один градус. Количество теплоты Q, которое необходимо сообщить телумассой т для повышения его температуры от Т1 до Т2 находитсяпо формуле
Q=mс(Т2—Т1)
Тогда изменение внутренней энергии тела(термодинамической системы) DU, учитывая, равно
/>
2.    Изотермический процесс. Запишем первыйзакон термодинамики для данного процесса. Внутренняя энергия идеального газа за­виситтолько от температуры. При изотермическом процессе температура постоянна.Поэтому и внутренняя энергия постоянна (U = const) и, следовательно DU = 0. Тогда первый закон термодинамики принимает вид
/>
т.е.       количество теплоты, сообщённое газу приизотермическом процессе. полностью превращается в работу, совершаемую газом.
Выясним условия, необходимые для проведения такогопроцесса. При изотермическом расширении к газу необходимо непрерывно подводитьтеплоту, чтобы компенсировать уменьшение внутренней энергии, проис­ходящеевследствие совершения газом работы против внешних сил. И, на­оборот, приизотермическом сжатии надо непрерывно отбирать теплоту, чтобы внутренняяэнергия, а следовательно, и температура оставались по­стоянными. Из этогоследует, что изотермический процесс необходимо проводить очень медленно, таккак в этом случае температура газа будет успевать выравниваться с температуройокружающей среды.
3.    Изобарический процесс.Поскольку при данном процессе происхо­дит изменение температуры и объёма газа,то первый закон термодинамики записывается так же, как и в общем случае.
4.    Адиабатический процесс.Процесс, протекающий в термодинамической системе без теплообмена с окружающейсредой, называется адиа­батическим (адиабатным). Для практическогоосуществления такого процесса газ помещают в сосуд с теплоизоляционнымистенками. По­скольку любой материал в той или иной степени проводит теплоту, товся­кий процесс отличается от адиабатического процесса. Хорошим прибли­жением кадиабатическому процессу являются быстро протекающие про­цессы.Кратковременность процесса приводит к тому, что система не ус­певает обменятьсятеплотой с окружающей средой.
При адиабатическом процессе газ не отдаёт и неполучает количество теплоты, т.е. Q = 0. Тогда первый закон термодинамикизапишется
/>    или  />
т.е.       работа, совершаемая газом при адиабатическомпроцессе, произво­дится только за счёт изменения его внутренней энергии.Выясним, как изменяется температура газа при этом процессе. При адиабатномрасширении DV =  V2 — V1 > 0, где V1и V2 — начальный и конечный объём газа. Поэтому А = PDV > 0. Из формулы следует, что вэтом случае DU 0, а еготемпера­тура повышается. Этим объясняется, например, нагревание воздуха в ци­линдредизельного двигателя при его сжатии.
Билет № 12
Электростатика — это разделэлектродинамики, изучающий свойства неподвижных зарядов, их взаимодействия другс другом посредством по­лей, называемых электростатическими. Условиенеподвижности заря­дов в той системе отсчёта, в которой они изучаются, являетсявесьма важ­ным, так как в случае движущихся зарядов свойства окружающего про­странствакардинально меняются и, в частности, появляется магнитное по­ле.
1.     Известно, что разнородныетела такие, как кожа, стекло, эбонит и т.д., потёртые друг о друга, обладаютсвойством притягивать к себе лёгкие предметы, например, кусочки бумаги. Дляобъяснения такого взаимодей­ствия, названного электрическим, и было введенопонятие электрического заряда. Заряженные тела могут как притягиваться, так иотталкиваться друг от друга. Этот факт удаётся объяснить, если ввести два типазаряда, условно названных положительными и отрицательными (плюс и минус). Какследует из опыта, заряды с одинаковыми знаками отталкиваются, а с разными —притягиваются. Сила взаимодействия заряженных тел может быть различной. Этозависит от величины зарядов, находящихся на них.
Из этого можно сделать вывод:электрический заряд является количе­ственной мерой способности тел кэлектрическим взаимодействиям.
Заряд тела не зависит от выборасистемы отсчёта, т.е. не зависит от то­го, движется или покоится тело, накотором он находится. В системе еди­ниц СИ заряд измеряется в кулонах (Кл). 1Кулон равен заряду, протекающе­му через поперечное сечение проводника за 1 спри силе постоянного тока в 1А.
2.    Возникновение зарядов на телах обусловленоследующим. Все тела построены из атомов. Атом состоит из положительнозаряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра обусловленпротонами. Заряды протона и электрона равны по абсолютной величине, но противо­положимпо знаку. Число протонов и электронов в атоме одинаково. По­этому атом в целомнейтрален, т.е. алгебраическая сумма зарядов атома(сумма зарядов с учетомзнаков) равна нулю, а следовательно, и тело ней­трально. Чтобы зарядить тела,т.е. наэлектризовать их, надо отделить часть отрицательного заряда отсвязанного с ним положительного заряда. Это осуществляется различнымиспособами: трением тел друг о друга, элек­тростатической индукцией и т.д. Тело,на котором оказыва­ется избыток электронов по сравнению с протонами, заряжаетсяотрица­тельно, если наоборот — положительно Например, при электризации трениемнебольшая часть электронов с одного тела переходит на другое. Если теперьраздвинуть тела, то они окажутся заряженными — одно положительно, другое  — отрицательно
3.     Из обобщения опытныхданных установлен закон сохранения электрического заряда: в любой замкнутойэлектрической системе алгебраическая сумма электрических зарядов являетсяпостоянной величиной при любых процессах, происходящих в ней.
Замкнутой называетсяэлектрическая система, из которой не выходят и в которую не входят заряды. Так,при электризации тел трением заряды, возникающие на телах, равны по абсолютнойвеличине, но противоположны по знаку. Поэтому их алгебраическая сумма такжеравна нулю, как и в случае не заряженных тел.
4.     В общем случае силавзаимодействия между заряженными телами зависит от Размеров и формы Тел, атакже от свойств среды, н которой на­ходятся тела. Наиболее просто силавзаимодействия находится для так на­зываемых точечных зарядов. Точечным зарядомназывается заряженное тело, размеры которого пренебрежимо малы по сравнению срасстояни­ем до других заряженных тел, с которыми оно взаимодействует. Законывзаимодействия точечных зарядов был открыт Кулоном и формулируется следующимобразом: модуль Fv силывзаимодействия между двумя не­подвижными точечными зарядами q и q0,находящимися в вакууме, пропорционален произведению этих зарядов, обратнопропорционален квадрату расстояния r между ними, т.е.
/>
где /> —электрическая постоянная. Эта сила направлена вдоль прямой линии, соединяющейзаряды. Электрическая постоянная равна /> или/>, где фарад (Ф) – единицаэлектроёмкости.
Билет № 13
1. Уединённые проводники обладают крайне малойэлектроёмкостью. Например, ёмкость Земли всего лишь примерно 0,7 мФ. Однако вомногих электронных приборах используются устройства, называемые конденсато­рами,в которых накапливаются достаточно большие заряды. Конденсато­ры представляютсобой два проводника, близко расположенных друг к другу и разделённых слоемдиэлектрика. Если этим проводникам (обкладкам) сообщить одинаковые по величине,но противоположные по знаку заряды, то электрическое поле, возникающее междуними, будет практически полностью сосредоточено внутри конденсатора. Поэтомуэлектроёмкость конденсатора мало зависит от расположения окружающих его тел.
Если сообщать конденсаторуразличные заряды, то и разность потен­циалов между его обкладками будетразличной. (Под зарядом конденсато­ра понимается заряд на одной из его обкладокпо абсолютной величине). Однако отношение заряда q, находящегося наконденсаторе, к разности потенциалов/>,возникающую между его обкладками, остаётся по­стоянным независимо от величинызаряда. Поэтому это отношение при­нимают за характеристику способностиконденсатора накапливать на себе заряды. Её по аналогии с проводником называютэлектроёмкостью (или ёмкостью) конденсатора и обозначают той же буквой С. Итак,
/>
т.е.емкостью конденсатора называется физическая величина равная от­ношению зарядаконденсатора к разности потенциалов между его об­кладками.
Емкость конденсатора не зависит от величины зарядаи разности по­тенциалов между его обкладками и определяется только размерами ифор­мой обкладок конденсатора, а также диэлектрическими свойствами веще­ства,заполняющего его. Емкость конденсатора, как и ём­кость проводника, измеряется вфарадах (Ф):     1 Ф — это ёмкость такого конденсатора, при сообщении которомузаряда в 1 Кл, разность потенциалов между его обклад­ками изменяется на 1 В.
2.Емкость плоского конденсатора. Рассмотрим пло­ский конденсатор,заполненный однородным изотропным диэлектриком с диэлектрической проницаемостьюe, у ко­торого площадь каждойобкладки S и расстояние между ними d. Емкость такого конденсатора находится по формуле:
/>
Из этого следует, что для изготовленияконденсаторов большой ёмкости надо увеличить площадь обкладок и уменьшатьрасстояние между ними.
Энергия W заряженного конденсатор: /> или />
Конденсаторы применяются для накопления электроэнергиии использования её при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепейпостоянного и переменного токов, в выпрямителях, колебательных контурах идругих радио-электронных устройствах. В зависимости от типа диэлектрикаконденсаторы бывают воздушные, бумажные, слюдяные.
Билет № 14
1.   Работой электрического токаназывается работа, которую совер­шают силы электрического поля, созданного вэлектрической цепи, по перемещении заряда по этой цепи. Пусть к концампроводника приложена разность потенциалов (напряжение) /> Тогда работа А, совершаемаяэлектростатическим полем по переносу заряда q за некоторое время 4 равна />. Величину протекшего зарядаможно найти, используя силу тока I: q = It  С учётом этого по­лучаем
/>
Применяя закон Ома для однородного участка цепи U = IR,где R — со­противление проводника,выражение запишем в виде
/>
2.   По определению мощность Р электрического тока равнаР = A/t. Получаем
P=IU.
В системе единиц СИ работа имощность электрического тока измеряются соответственно в джоулях и ваттах. Однако на практике используется вне­системнаяединица работы — 1 кВт*ч, т.е. работа тока мощностью 1 кВт за время 1 ч
(/>).
3.   Опытным путём джоуль и,независимо от него, Ленц установили, что при протекании электрического тока попроводнику он нагревается, в результате чего увеличивается его внутренняяэнергия. Количество тепло­ты Q, выделяемое в проводнике пропорциональноквадрату силы тока, со­противлению проводника R и времени протекания t, т.е.
/>
Соотношение называют закономДжоуля  — Ленца.
2. ЭДС. Возьмём два проводника,заряженные разноимёнными зарядами, и со­единим их другим проводником. Тогда вэтом проводнике за счёт разности потенциалов на его концах возникаетэлектрическое поле, под действием которого свободные заряды (носители тока)приходят в упорядоченное движе­ние от положительного потенциала к от­рицательному(имеется в виду движение положительных зарядов, поскольку за направление токапринимается движе­ние именно этих зарядов), т.е. возникает электрический ток.Однако этот ток очень быстро прекращается вследствие того, что протекание токаприводит к выравниванию потенциалов на кон­цах проводника и к исчезновениювнутри него электрического поля.
Для непрерывного протекания токапо проводнику необходимо к его концам подключить устройство, которое быотводило положительные за­ряды с конца, обладающего отрицательным потенциалом,к концу — с по­ложительным, производя разделение зарядов и поддерживая разностьпо­тенциалов. Такие устройства называются источниками тока. Указанное движениезарядов внутри источника тока (движение от точки 1 к точке 2) возможно лишь втом случае, если на них со стороны источника тока действуют силы неэлектростатического происхождения, направлен­ные против сил электростатическогополя, Их называют сторонними си­лами. Природа сторонних сил может бытьразличной. Так, в аккумулято­рах они возникают вследствие химических реакциймежду электродами и электролитом.
Действие сторонник сил характеризуютфизической величиной, назы­ваемой электродвижущей силой (э.д.с.). Она равнаработе, которую со­вершают сторонние силы по перемещению единичного зарядавнутри ис­точника тока, т.е. в области, где действуют сторонние силы. Если припе­ремещении заряда q сторонние силы совершили работу Аст, то по определениюэ.д.с. /> равна /> Из этой формулы следует,что э.д.с., как и разность потенциалов, измеря­ется в вольтах Если цепь, вкоторой протекает ток, замкнутая, то работа сторонних сил по всей цепи равна ра­ботеэтих сил внутри источника, поскольку вне источника сторонние силы не действуют.Таким образом, электродвижущая сила равна работе, ко­торую совершают сторонниесилы по перемещению единичного заряда по замкнутой цепи.
3. Закон Ома для полной цепи.
Выведем закон Ома для такой цепи.При протекании электрического тока по цепи происходит нагревание резистора иисточника тока. Нагревая источника тока свидетельствует о том, что он обладаетнекоторым внут­ренним сопротивлением. Обозначим его через т. Очевидно, чтонагревание источника тока и рези­стора R происходит за счёт работы />сторонних сил. Согласнозакону сохранения энергий, эта рабо­та будет равняться количеству теплоты,выделяе­мой в источнике и в резисторе, т.е. />
где  /> и/>— количество теплоты,выделяемой в резисторе и на внутреннем сопротивлении источ­ника тока. Но />. Здесь I — сила тока, текущего в цепи, t —время протекания тока.  С учётомэтого получаем/>. Разделив по­следнееравенство на It и учитывая, что q = It, находим
                                                                                       />
Это соотношение называют закономОма для замкнутой цепи: сила тока в замкнутой цепи пропорциональнаэлектродвижущей силе ис­точника и обратно пропорциональна общему сопротивлениюцепи.
Билет № 15
1. Выяс­ним, какие изменения происходят в окружающемзаряды пространстве, если они приходят в равномерное движение?
Присоединим два гибких металлическихпроводника, укреплённых параллельно, к источнику тока. На проводни­кахпоявляются равномерно распределённые заряды противоположных знаков, которыесоздают вокруг себя электростатическое поле. В результа­те этого возникает силаэлектростатиче­ского притяжения. Если замкнуть ключ, то по проводникам потечётпостоян­ный ток. При этом, несмотря на силы электростатического притяжения, про­водникиотталкиваются. Это свидетельствует о том, что между ними возникли силынеэлектростатического происхождения. Их появление можно объяснить, еслипредположить, что во­круг проводника с током, т.е. вокруг упорядоченнодвижущихся электриче­ских зарядов, образуется поле, отли­чающееся отэлектростатического поля. Его назвали магнитным. Тогда взаимо­действие токов объясняетсяследующим образом. Магнитное поле, создаваемой током, текущим по одномупроводнику, действует на ток, проходящий по другому, и наоборот.
Итак, приходим к выводу: вокруг равномернодвижущихся электриче­ских зарядов возникает магнитное поле, котороеобнаруживается по действию на другие движущиеся в этом поле заряды. Необходимоотме­тить, что электрическое поле действует как на неподвижные, так и на дви­жущиесязаряды, а магнитное только на движущиеся.
2.   Индукция магнитного поля.Магнитное поле характеризуют физи­ческой величиной, называемой индукциеймагнитного поля, являющуюся вектором. Обозначим её через В.
Подобно тому, как для изученияэлектрического поля используются пробные электрические заряды, при исследованиимагнитного поля применяются пробные контуры. Пробными называют замкнутыеконтуры, по которым течёт постоянный ток, внесение которых не искажа­етисследуемого поля. Пробный контур характеризуют магнитным мо­ментом Рм, которыйявляется вектором. Его модуль равен
/>
где I -  сила тока в контуре, S -  площадь контура. Вектор Рм направлен перпендикулярно к плоскости контура и связан снаправлением тока пра­вилом правого винта: при вращении винта в направлениитока, его посту­пательное движение показывает направление магнитного моментаконтура. Из формулы следует, что магнитный момент измеряется в ампер*метр2 (Ам2).
При внесении пробного контура вмагнитное поле он устанавливает так, чтоего магнитный момент совпадает с направлениемвектора индукции магнитного поля в данной точке поля. Если контур вывести из положения равновесия, то на негобудет действовать момент сил, стремящийся вернуть его в положение равновеся.Этот мо­мент сил будет наибольшим (максимальным), ко­гда магнитный моментконтура перпендикулярен к вектору В. Пусть в одну и ту же точку магнит­ногополя вносятся различные пробные контуры. Тогда на них будут дей­ствовать иразличные максимальные моменты сил. Однако отношение максимального момента Мmax к магнитному моменту контура Рмостаётся постоянным независимо от модулямагнитного момента. Поэтому его при­нимают за характеристику поля в даннойточке. Это и есть индукция маг­нитного поля, которую обозначают через В, т.е. Такимобразом, модуль индукции магнитного поля в некоторой точке равен отношениюмаксимального момента сил, действующего на пробный контур, помещённый в этуточку, к его магнитному моменту, и направле­ние индукции магнитного полясовпадает с направлением магнитного мо­мента свободно ориентирующегося контура.
В системе единиц СИ индукция магнитного поляизмеряется в теслах (Тл).  Тл — это индукция в такой точке магнитно­го поля,при внесении в которую пробного контура с магнитным момен­том 1 А*м2на него действует максимальный момент сил, равный 1 Н*м.
Подсчитаемразмерность тесла. />
3.   Линии магнитной индукции.Для наглядного изображения маг­нитного поля пользуются линиями магнитнойиндукции. Линией магнит­ной индукции называют такую линию, в каждой точкекоторой индукция магнитного поля (вектор В) направлен но касательной к кривой.Направ­ление этих линий совпадает с направлением поля. Условились линии маг­нитнойиндукции проводить так, чтобы число этих линий, отнесённых к единице площадиплощадки, перпендикулярной к ним, равнялось бы мо­дулю индукции в даннойобласти поля. Тогда по густоте линий судят о магнитном поле. Там, где они гуще,модуль индукции магнитного поля больше. Так же, как и линии напряжённостиэлектрического поля, они не
пересекаются. Линии магнитной индукции всегда замкнуты иох­ватывают проводник с током в отличие от линий напряжённостиэлектростатического поля, кото­рые разомкнуты (начинаются и заканчиваются назарядах). На­правление этих линий находится по правилу правого винта: если поступательное движение винта совпадает с направлением тока, то его вращениепроисходит в направлении линий магнитной индукции. В качестве примера приведёмкартину линий магнит­ной индукции прямого тока, текущего перпендикулярно кплоскости чертежа от нас за чертёж
4.    Закон Ампера. Какизвестно, на проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила.Ампер установил, что модуль F силы на­ходится по формуле
/>
где I— сила тока, проходящего по проводнику, В — модуль индукции магнитного поля в месте расположе­ния участка проводника длиною l, a —  угол между направлением тока и вектором В. Направление этой силы, получившейназвание силы Ампера, определяется по правилу левой руки: если руку расположитьтак, чтобы линии магнитной индукции входилив ладонь, четыре вытянутых пальца совпадали с направлением тока, то отогнутый на 90° большой палец да­ётнаправление силы. Сила Ампера перпендикулярна к плоскости, прове­дённой через 1и В
5.  СилаЛоренца.Поскольку ток представляет собой упорядоченное движение электрических зарядов,то естественно предположить, что сила Ампера является равнодействующей сил,действующих на отдельные за­ряды, движущиеся в проводнике. Опытным путёмустановлено, что на за­ряд, движущийся в магнитном поле, действительнодействует сила. Эту силу называют силой Лоренца. Модуль FL силы находитсяпо формуле
/>
где В — модуль индукции магнитного поля, в которомдвижется заряд, q и v — абсолютная величина заряда и его скорость, a — угол между векторами v и В. Эта сила перпендикулярна квекторам vи В, её направлениенаходится по правилу левой руки: если руку расположить так, чтобы четыревытянутых пальца совпадали с направлением движения положительного заряда, линиииндукции магнитного поля входили в ладонь, то отставленный на 900большой палец показывает направление силы. В случае отрицательной частицынаправление силы противоположное.
Билет № 16
Полупроводниками называют группу веществ,электропроводность которых занимает промежуточное положение между металлами идиэлек­триками. Полупроводники обладают рядом свойств, отличающими их како тметаллов, так и диэлектриков. Если с повышением температуры сопро­тивлениеметаллических проводников увеличивается, то у полупроводни­ков уменьшается.Уменьшается сопротивление полупроводников и при их освещении. На базеполупроводников созданы разнообразные полупро­водниковые приборы, используемыев радиоэлектронике, автоматике и вычислительной технике.
1.    Собственная проводимость полупроводников.Полупроводника­ми являются химические элементы четвёртой группы таблицыМенделеева и некоторые другие соединения. Типичными представителями полупро­водниковявляются кристаллы кремния и германия, в которых атомы объ­единены ковалентнойсвязью Вследствие теплового движе­ния атомы сталкиваются между собой. Это можетпривести к разрыву не­которых химических связей, в результате чего возникаетсвободный элек­трон, который будет хаотически двигаться по кристаллу. Уда­лениеэлектрона приводит к нарушению химической свя­зи, поскольку она осуществ­ляетсялишь одним валент­ным электроном. Эту непол­ноценную связь называют дыркой.Дырка обладает по­ложительным зарядом, рав­ным заряду электрона по аб­солютнойвеличине, так как в месте, покинутом электроном, будет недостаток элек­трона.На место дырки может попасть электрон от соседней химической связи. Это приводитк из­менению положения дырки. Поэтому дырка будет хаотически переме­щаться покристаллу. Таким образом, в полупроводнике при любой темпе­ратуре имеетсяопределённая концентрация свободных электронов и ды­рок, которыми иобусловливается собственная электропроводность полупроводников. С повышениемтемпературы полупроводника возрастает концентрация указанных частиц. Этоприводит к тому, что с повышением температуры увеличивается проводимость, асопротивление полупровод­ника уменьшается.
2 Примесная проводимостьполупроводников.Чистые полупровод­ники не представляют практического интереса. Для электроникивесьма полезными оказались так называемые легированные полупроводники, т.е.полупроводники, в которые вве­дены примеси. Они подраз­деляются на полупроводни­киn- и р-типа.
а)    Полупроводники n-типа. Если в кристалличе­скую решёткучетырехва­лентного полупроводника, например кремния, внедрить пятивалентныйатом, на­пример фосфор, то для образования ковалентных связей с соседями емунадо четыре электрона. Пятый же электрон вследствие теплового движе­ния можетоторваться от атома. в результате этого атомы примеси пре­вращаются вположительные ионы.  И появляются свободные электроны, обусловливающие проводи­мостьполулроводника. Такие примеси назы­ваются донорными, а сам полупроводникназывают полупроводник n-типа (от слова negative — отри­цательный).
        б) Полупроводникир-типа. Если внедрить в кри­сталлическую решетку че­тырёхвалентногополупроводника­ (кремния) трёхвалентный атом (бор), то для образованияковалентной связи с соседями ему надо четыре электрона, а у него их только три.Поэтому одна связь оказывается не укомплектованной. Атом бора за­хватывает одинэлектрон от соседнего атома кремния, так как это энергетически выгодно. Врезультате этого атомы примеси превращаются в отрицательные ноны, а вполупроводнике возникают дырки, обусловливающие его электропроводность.Проводимость этого типа называется дырочной, примесь — акцепторной, аполупроводник  — р-типа (от слова positive — положительный).
З.   Полупроводниковый диод.На основе примесных полупроводни­ков созданы устройства, являющиеся важнымикомпонентами современ­ных электронных приборов — диоды, транзисторы и т.д. Ихважным пре­имуществом являются высокая надёжность, большой срок службы и миниатюрность.В настоящее время на 1 см2  удаётся разместить тысячи такихэлементов, в связи с чем и, появились, например, персо­нальные ЭВМ,размещающиеся на столе и обладающие огромными вычисли­тельными возможностями.Рассмотрим принцип работы диода. При соединении полупроводников n- и р-типа по­лучается диод с такназываемым р-n — переходом. В результате такого со­единения небольшоеколичество электронов около контакта перейдёт из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, где произойдёт ихрекомбинация с дырками. Вследствие этого полупроводник n-типа заряжается положительно, а р-типа - отрицательно. Возникает некоторая разность потенциалов, которая препятствуетдальнейшему переходу электронов. Если к диоду подключить источник тока, чтобыминус был соединён с по­лупроводником n-типа, а плюс — с полупроводником р-типа, то под действием внешнегоэлектрического поля электроны и дырки прохо­дят границу раздела полупроводникови рекомбинируют. В то же время источник тока поставляет всё новые электроны идырки. Поэтому через диод протекает достаточно сильный ток. Если изменитьполярность на диоде, то под действием поля электроны и дырки отходят от границыраз­дела полупроводников и ток через диод не течёт.  Таким образом, диодобладает односторонней проводимостью. Это используется для выпрямления тока,т.е. для преобразования переменного тока в постоянный по направлению ток. Длятого чтобы получить ток постоянный по величи­не, используют диоды, включённые внесколько более сложные цепи. Вы­прямительные схемы играют важную роль, так какэлектростанции выра­батывают ток переменный, а для работы большинстваэлектронных устройств (радио, телевизоры, ЭВМ) требуется постоянное напряжение.
Билет № 17
Электромагнитная индукция. Законэлектромагнитной индукции. Правило Ленца Мы знаем, что электрический ток создаёт магнитноеполе. Естественно возникает вопрос: «, Возможно ли появление электрического токас помощью магнитного поля?». Эту проблему решил Фарадей, открывший явлениеэлектромагнитной индукции, которое за­ключается в следующем: при всякомизменении Магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводящимконтуром, в нём возникает электродвижущая сила, называемая э.д.с. индукции.Если контур замкнут, то под действием этой э.д.с. появляется электрический ток,названный индукционньм. Фарадей установил, что э.д.с. индукции не зависит отспособа изменения магнитного потока и определяется только быстротой егоизменения, т.е.
/>
Соотношение называется закономэлектромагнитной индукции: э.д.с. индукции в проводнике равна быстротеизменения магнитного потока, пронизывающего площадь, охватываемую проводником.Знак минус в формуле (68.1) является математическим выражением правила Ленца.Известно, что магнитный поток является алгебраической величиной. Примеммагнитный поток, пронизывающий площадь контура,
положительным. При увеличенииэтого потока (/>) возникает з.д.с.индукции />, под действием которойпоявляется индукционный ток, создающий собственное магнитное поле, направленноенавстречу внешнему полю, т.е. магнитный поток индукционного тока отрицателен.
Если же поток, пронизывающийплощадь контура, уменьшается (/>), то />,т.е. направление магнитного поля индукционного тока совпадает с направлениемвнешнего поля.
Рассмотрим один из опытов,проведённых Фарадеем, по обнаружению индукционного тока, а следовательно, иэ.д.с. индукции. Если в соленоид, замкнутый на очень чувствительныйэлектроизмерительный прибор(гальванометр), вдвигать или выдвигать магнит, топри движе­нии магнита наблюдается отклонение стрелки гальванометра, свидетель­ствующеео возникновении индукционного тока. То же самое наблюдается при движениисоленоида относительно магнита. Если же магнит и солено­ид неподвижныотносительно друг друга, то и индукционный ток не воз­никает. Из приведённогоопыта следует вывод, что при взаимном движе­нии указанных тел происходитизменение магнитного потока через нитки соленоида, что и приводит к появлениюиндукционного тока, вызванного возникающей э.д.с. индукции.
2.Направление индукционного токаопределяет­ся правилом Ленца: индукционный ток всегда име­ет такоенаправление. что создаваемое им магнит­ное поле препятствует изменениюмагнитного по­тока, которое вызывает этот ток. Из этого правила следует,что при возрастании магнитного потока возникающий индукционный ток имеет такоенаправ­ление, чтобы порождаемое им магнитное поле было направлено противвнешнего поля, противодействуя увеличению магнитного потока. Уменьшение маг­нитногопотока, наоборот, приводит к появлению индукционного тока, создающего магнитноеполе, совпадающее по направлению с внешним полем. Пусть, например, в однородноммагнитном поле на­ходится проволочная квадратная рамка, пронизы­ваемаямагнитным полем Предположим, что магнитное поле возрастает. Это приводит кувеличению магнитного потока через площадь рамки. Согласно правилу Ленца,магнитное поле, возникающего индукционного тока, будет на­правлено противвнешнего поля, т.е. вектор В2 этого поля противоположен вектору Ё.Применяя правило правого винта (см. § 65, п. З), находим направлениеиндукционного тока Ii.
З. Явление электромагнитной индукции полу­чилоширокое применение в технике: промышленности получение электроэнергии наэлектростанциях,  разогрев и плавление проводящих материалов (металлов) виндукционных электропечах и т.д.
2.Магнитный поток. Магнитным потоком черезнекоторую поверхность называют число линий магнитной индукции, пронизывающихеё. Пусть в однородном маг­нитном поле находится плоская площадка площадью S,перпендикулярная к линиям магнитной индукции. (Однородным магнитным полемназывает­ся такое поле, в каждой точке которого индукция магнитного поля одина­ковапо модулю и направлению). В этом случае нормаль n к площадке совпадает с направлением поля.Поскольку через единицу пло­щади площадки проходит число линий магнитнойиндукции, равное моду­лю В индукции поля, то число линий, пронизывающих даннуюплощадку будет в S раз больше. Поэтому магнитный поток равен
/>
Рассмотрим теперь случай, когда воднородном магнитном поле находится плоская площадка, имеющая формупрямоугольного параллелепипеда со сторонами а и b, площадь которой S = аb. Нормаль n к площадкесостав­ляет угол a с направлением поля, т.е. с вектором индукции В. Число линий индукции,проходящих через площадку S и её проекцию Sпр на плоскость, перпендикулярную кэтим линиям, одинаково. Следователь­но, поток Ф индукции магнитного поля черезних одинаков. Используя выражение, находим Ф = ВSпр Из рис.  видно, что Sпр=ab*cos a =Scosa. Поэтому
ф =BScos a.
В системе единиц СИ магнитныйпоток измеряется в веберах (Вб). Из формулы следует />т.е. 1 Вб — этомагнитный поток через площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно к линияммагнитно                      индукции в однородном магнитном поле с индукцией1 Тл. Найдем размерность вебера: />
 Билет № 19
Свободные и вынужденныеколебания. Электрические колебания были открыты в известной мере случайно.После того как изобрели лейденскую банку (первый конденсатор) и научилисьсообщать ей большой заряд от электростатической машины, начали наблюдатьэлектрический разряд банки. Замыкая обкладки лейденской банки с помощьюпроволочной катушки, обнаружили, что стальные спицы внутри катушкинамагничиваются. В это ничего странного не было: электрический ток  и долженнамагничивать стальной сердечник катушки. Удивительным было то, что нельзя былопредсказать, какой конец сердечника катушки окажется северным полюсом, а какой– южным. Повторяя опыт примерно в одних и тех же условиях, получали в однихслучаях один резуль­тат, а в других другой. Далеко не сразу поняли, что приразряде конденсатора че­рез катушку возникают колебания. За время разрядкиконденсатор успевает много раз перезарядиться и ток меняет направление многораз. Из-за этого сер­дечник может намагничиваться различ­ным образом.
Периодические или почти периодиче­ские изменениязаряда, силы тока и на­пряжёния называют электрическими коле­баниями.
Получить электрические колебанияпочти столь же просто, как и заставить тело колебаться, подвесив его напружине. Но наблюдать электри­ческие колебания уже не так просто. Ведь мынепосредственно не видим ни перезарядки конденсатора, ни тока в катушке. К томуже колебания обычно происходят с очень большой частотой.
Наблюдают и исследуютэлектрические колебания с помощью электронного осциллографа. На горизонтальноотклоняющие пластины электроннолучевой трубки осциллографа подается пере­менноенапряжение развертки Up “пилообразной» формы. Сравнительномедленно напряжение нарастает, а потом очень резко уменьшается. Электрическое поле между пластинами за­ставляетэлектронный луч пробегать экран в горизонтальном на­правлении с постояннойскоростью и затем почти мгновенно воз­вращаться назад. После этого весь процессповторяется. Если теперь присоединить вертикальноотклоняющие пластины к кон­денсатору, то колебания напряжения при его разрядкевызовут колебания луча в вертикальномнаправлении. В результате на экранеобразуется временная «развертка» колебаний, вполне подобная той, которуювычерчивает маятник с песочни­цей на движущемся листе бумаги. Коле­баниязатухают с течением времени
Эти колебания — свободные. Онивоз­никают после того, как конденсатору со­общается заряд, выводящий систему изсостояния равновесия. Зарядка конден­сатора эквивалентна отклонению маят­никаот положения равновесия.
В электрической цепи можно также получить и вынужден­ныеэлектрические колебания. Такие колебания появляются при наличии в цепипериодической электродвижущей силы. Перемен­ная ЭДС индукции возникает впроволочной рамке из нескольких витков при вращении ее в магнитном поле (рис.19). При этом магнитный поток, пронизывающий рамку, периодически изменя­ется, Всоответствии с законом электромагнитной индукции периодически меняется ивозникающая ЭДС индукции. При замыкании цепи через гальванометр пойдетпеременный ток и стрелка начнет колебаться около положения равновесия.
     
2.Колебательный контур Простейшая система, в котороймогут происходить свободные электрические колебания, состоит из конденсатора икатушки, присоединенной к обкладкам конденсатора (рис. 20). Такая систе­маназывается колебательным контуром.
Рассмотрим, почему в контуревозникают колебания. Зарядим конденсатор, присоединив его на некоторое время кбатарее с помощью переключателя. При этом конденсатор получит энергию
/>
где qm — заряд конденсатора, а С— его электроемкость. Между обкладками конденсатора возникнет разностьпотенциалов Um.
Переведем переключатель вположение 2. Конден­сатор начнет разряжаться, и в цепи появится электрическийток. Сила тока не сразу достигает максимального значения, а увеличиваетсяпостепенно. Это обусловлено явлением самоин­дукции. При появлении токавозникает переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле порождаетвихревое электрическое поле в проводнике. Вихревое электрическое поле принарастании магнитного поля направлено против тока и препятствует егомгновенному увели­чению.
По мере разрядки конденсатораэнергия электрического поля уменьшается, но одновременно возрастает энергиямагнитного поля тока, которая определяется форму­лой
/>
где i сила тока,. L —индуктивность ка­тушки. В момент, когда конденсатор пол­ностью разрядится(q=0), энергия элек­трического поля станет равной нулю. Энер­гия же тока (энергиямагнитного поля) согласно закону сохранения энергии будет максимальной. Следовательно, в этот мо­мент силатока также достигнет макси­мального значения
Несмотря на то что к этомумоменту разность потенциалов на концах катушки становится равной нулю,электрический ток не может прекратиться сразу. Этому препятствует явлениесамоиндукции. Как только сила тока и созданное им магнит­ное поле начнутуменьшаться, возникает вихревое электрическое поле, которое на­правлено по токуи поддерживает его.
В результате конденсатор перезаряжается до тех пор,пока ток, постепенно уменьшаясь, не станет равным нулю. Энергия магнитного поляв этот момент также будет равна нулю, а энергия электрического поляконденсатора опять станет максимальной.
После этого конденсатор вновь будет перезаряжатьсяи систе­ма возвратится в исходное состояние. Если бы не было потерь энергии, тоэтот процесс продолжался бы сколь угодно долго. Колебания были бынезатухающими. Через промежутки времени, равные периоду колебаний, состояниесистемы повторялось бы.
Но в действительности потериэнергии неизбежны. Так, в частности, катушка и соединительные провода обладаютсопро­тивлением R, и это ведетк постепенному превращению энергии электромагнитного поля во внутреннюю энергиюпроводника.
При колебаниях, происходящих вконтуре, наблюдается превращение энергии магнитного поля в энергиюэлектрического поля и наоборот. Поэтому эти колебания называютэлектромагнитными. Период колебательного контура находится по формуле :
/>
Билет № 18
1. Индуктивность. Пусть позамкнутому контуру течёт постоянный ток силой I. Этот ток создаёт вокруг себя магнитное поле,которое прони­зывает площадь, охватываемую проводником, создавая магнитныйпоток. Известно, что магнитный поток Ф пропорционален модулю индукциимагнитного поля В, а модуль индукции магнитного поля, возникающего вокругпроводника с током, пропорционален силе тока 1. Из этого следует
/>
Коэффициент пропорциональности Lмежду силой тока и магнитным по­током, создаваемым этим током через площадь,ограниченную проводни­ком, называют индуктивностью проводника.
Индуктивность проводника зависитот его геометрических размеров и формы, а также от магнитных свойств среды, вкоторой он находится. внутри него. Необходимо отметить, что если магнитнаяпроницаемость среды, окружающей проводник, не зависит от индукции магнитногополя, создаваемого током, текущим по проводнику, то индуктивность данногопроводника является постоянной величиной при любой силе тока, идуще­го в нём.Это имеет место, когда проводник находится в среде с диамаг­нитными илипарамагнитными свойствами. В случае ферромагнетиков ин­дуктивность зависит отсилы тока, проходящего по проводнику.
В системе единиц СИ индуктивностьизмеряется в генри (Гн). L = Ф/I и 1 Гн = 1 В6/ 1А, т.е. 1 Гн — индуктивностьтакого про­водника, при протекании по которому тока силой 1А возникает магнит­ныйпоток, пронизываю площадь, охватываемую проводником, рав­ный 1Вб.
       Явление самоиндукции.Явление возникновения э.д.с. в том же проводнике, по которому течёт переменныйток, называется самоин­дукцией, а саму э.д.с. называют э.д.с. самоиндукции. Этоявление объяс­няется следующим. Переменный ток, проходящий по проводнику, порож­даетвокруг себя переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, создаётмагнитный поток, изменяющийся со временем, через площадь, ог­раниченнуюпроводником. Согласно явлению электромагнитной индукции, это изменениемагнитного потока и приводит к появлению э.д.с. са­моиндукции.
Найдём э.д.с. самоиндукции. Пустьпо проводнику с индуктивностью L течёт электрический ток. В момент времени t1сила этого тока равна I1, а к моменту времени t2 она стала равной I2.Тогда магнитный поток, создавае­мый током через площадь ограниченнуюпроводником, в моменты време­ни t1 и t2 соответственноравен Ф1=LI1 и Ф2=LI2, аизменение DФ магнитногопотока равно DФ = LI2 —LI1 = L(I2 — I1) = LDI, где DI =I2— I1 —изменение силы тока за промежуток времени Dt = t2-t1.Со­гласно закону электромагнитной индукции, э.д.с. самоиндукции равна: />Подставляя в это выраженияпредыдущую формулу, получаем
/>
Итак, э.д.с. самоиндукции,возникающая в проводнике, пропорциональна быстроте изменения силы тока,текущего по нему. Соотношение  представляет собой закон самоиндукции.
Под действием э.д.с. самоиндукциисоздаётся индукционный ток, на­зываемый током самоиндукции. Этот ток, согласноправилу Ленца, про­тиводействует изменению силы тока в цепи, замедляя еговозрастание или убывание.
Энергия магнитного поля.  При протекании электрическоготока по проводнику вокруг него воз­никает магнитное поле. Оно обладаетэнергией. Можно показать, что энергия магнитного поля, возникающего вокругпроводника с индуктив­ностью L, по которому течёт постоянный ток силой I, равна
/>
Билет № 20
Фундаментальные законы природы, кчислу которых относятся открытые Максвеллом законы электромагнетизма,замечательны в следующем отношении: они могут дать гораздо больше, чемзаключено в тех фактах, на основе которых они получены.
Среди бесчисленных, очень интересных и важныхследст­вий, вытекающих из максвелловских законов электромагнитного поля, однозаслуживает особого внимания. Это вывод о том, что электромагнитное       взаимодействие распространяется с конечной скоростью.
Согласно теории дальнодействиякулоновская сила, дейст­вующая на электрический заряд, сразу же изменится, еслисосед­ний заряд сдвинуть с места. Действие передается мгновенно. С точки зрениядействия на расстоянии иначе быть не может:
ведь один заряд непосредственночерез пустоту
Согласно же представлению облизкодействии обстоит совершенно иначе и много сложнее. Перемещение зарядаменяет электрическое поле вблизи него. Это переменное электрическое поле порождаетпеременное магнитное поле в соседних областях пространства. Переменное жемагнитное поле в свою очередь порождает переменное электрическое поле и т.д.
Перемещение заряда вызывает,таким образом, «всплеск»  электромагнитного поля, который, распространяясь,охватывает все большие и большие облас­ти окружающего пространства,перестраивая по дороге то поле, которое существовало до смещения заряда.Наконец, этот «всплеск» достигает второго заряда, что и приводит к изменениюдействующей на него силы. Но произойдет это не в тот момент вре­мени, когдапроизошло смещение первого заряда. Процесс рас­пространения электромагнитноговозмущения, механизм которого был вскрыт Максвеллом, протекает с конечной, хотяи очень большой, скоростью. В этом состоит фундаментальное свойство поля,которое не оставляет сомнений в его реальности.
Максвелл математически показал,что скорость распростране­ния этого процесса равна скорости света в вакууме.
Электромагнитная волна.Представьте себе, что электриче­ский заряд не просто сместился из одной точки вдругую, а при­веден в быстрые колебания вдоль некоторой прямой. Заряд дви­жетсяподобно грузу, подвешенному на пружине, но только коле­бания его происходят созначительно большей частотой. Тогда электрическое поле в непосредственнойблизости от заряда начнет периодически изменяться. Период этих изменений,очевидно, бу­дет равен периоду колебаний.заряда. Переменное электрическое полебудет порождать периодически меняющееся магнитное поле, а последнее в своюочередь вызовет появление переменного электрического поля уже на большемрасстоянии от заря­да и т. д.
Мы не будем в деталяхрассматривать сложный процесс об­разования электромагнитного поля, порождаемогоколеблющим­ся зарядом. Приведем лишь конечный результат.
В окружающем заряд пространстве,захватывая все большие и большие области, возникает система взаимноперпендикуляр­ных, периодически изменяющихся электрических и магнитных по­лей.На рисунке 84 изображен «моментальный снимок» такой системы полей.
Образуется так называемаяэлектромагнитная волна,. бегу­щая по всем направлениям от колеблющегося заряда.
Не надо думать, чтоэлектромагнитная волна, подобно волне на поверхности воды, представляет собойвозмущение какой-либо среды. На рисунке изображены в некотором масштабе значениявекторов Ё и В в различных  точках пространства, лежащих на линии Os, вфиксированный момент времени. Никаких гребней и впадин среды, как в случаемеханических волн на поверхности воды, здесь нет.
В каждой точке пространстваэлектрические и магнитные поля меняются во времени периодически. Чем дальшераспо­ложена точка от заряда, тем позднее достигнут ее колебания полей.Следовательно, на разных расстояниях от заряда коле­бания происходят сразличными фазами.
Колебания векторов Ё и В в любой точке совпадают пофазе. Расстояние между двумя ближайшими точками, в которых колебания происходятв одинаковых фазах, есть длина волны l.В данный момент времени значения векторов Е и В меняются периодически впространстве с периодом  l.
Направления колеблющихся векторовнапряженности элек­трического поля и индукции магнитного поля перпендикулярны кнаправлению распространения волны. Электромагнитная волна является поперечной.
Таким образом, векторы Ё и Й вэлектромагнитной волне перпендикулярны друг другу и перпендикулярны направлениюраспространения волны. Если вращать буравчик с правой нарез­кой от вектора Ё квектору В то поступательное перемещение буравчика будет совпадать с векторомскорости волны с.
Электромагнитные волны излучаютсяколеблющимися заря­дами. При этом существенно, что скорость движения таких заря­довменяется со временем, т. е. что они движутся с ускорением.
Наличие ускорения — главноеусловие излучения электромагнит­ных волн. Электромагнитное воле излучаетсязаметным образом не только при колебаниях заряда, но и при любом быстромизменении его скорости, причем интенсивность излученной волы тем больше, чембольше ускорение, с которым движется заряд.
Наглядно это можно представитьсебе так. При движении заряженной частицы с постоянной скоростью созданные еюэлект­рическое и магнитное поля, подобно развевающемуся шлейфу, сопровождаютчастицу. При ускорении частицы обнаруживается присущая электромагнитному полюинертность. Поле «отрывает­ся» от частицы и начинает самостоятельноесуществование в форме электромагнитных волн.
Энергия электромагнитного поляволны в данный момент времени меняется периодически в пространстве с изменениемвекторов Ё и В. Бегущая волна несет с собой энергию, переме­щающуюся соскоростью с вдоль направления распространения волны. Благодаря этому энергияэлектромагнитной волны в любой области пространства меняется периодически современем.
Максвелл был глубоко убежден в реальности электромаг­нитныхволн. Но он не дожил до их экспериментального обна­ружения. Лишь через 10 летпосле его смерти электромагнитные волны были экспериментально получены Герцем.
2. Принцип радиосвязи.Радиопередатчик. Для осуществления радиосвязи необходимы ра­диопередатчик ирадиоприёмник. Рассмотрим принцип действия радиопе­редатчика, блок-схемакоторого приведена на рис. ‘77.1. Генератор создаёт высокочастотныеэлектромагнитные гармонические колебания с частотой
v    . Пусть перед микрофоном находится звучащийкамертон, создающий механические гармонические колебания звуковой частоты Yзв. Эти колебания с помощьюмикрофона преобразуются в электромагнитные колебания той же частоты (рис. 77.26). Частота Yзв  этихколебаний значи­тельно меньше частоты Y высокочастотных электромагнитных колебаний.
Колебания, создаваемыегенератором и микрофоном, подаются в модулятор,в котором происходит их сло­жение, в результате чего возникают электромагнитные колебания с час­тотой Y, амплитуда которых изменя­ется счастотой Yзв. Такие колебания называют               амплитудно­- модулированными (рис. 77.2 в). За­тем модулированные  колебания уси­ливаютсяи подаются на антенну(открытый колебательный контур), которая излучаетмодулированные электромагнитные волны.
Радиоприёмник. Блок-схема ра­диоприёмникапоказана на рис. 77.3. Модулированные электромагнитные волны, излучаемыеразличными ра­диостанциями, индуцируют в антен­не модулированные электромагнит­ныеколебания разных частот. Изменяя величину ёмкости конденсатора и индуктивности,добиваются совпа­дения собственной частоты колебательного контура с частотойодной из передающей станции. Это приводит к тому, что в колебательном контуревозникают вынужденные резонансные электромагнитные колебания дан­ной частоты.Амплитуды же колебаний с другими частотами будут очень малы. Эти модулированныеколебания рис. 77.2 в) усиливаются и пода­ются в демодулятор (детектор). Послеего прохождения сила тока в цепи изменяется со временем по закону, графиккоторого приведён на рис. 77.4. далее происходит преобразование этого тока вток, сила которого изменя­ется со временем со звуковой часто­той Yзв рис.77.2б). Затем этот токусиливается и протекает через дина­мик, который преобразует электро­магнитныеколебания в звуковые той же частоты. В результате этого ди­намик воспроизводитмеханические колебания, происходящие перед микрофоном передающей станции.
Принцип радиопередачи  используют в  телевидении,радиолокации, в различных видах телефонной (сотовой) связи.
Билет № 21
С точки зрения волновой теориисвет представляет собой электромаг­нитные волны с частотой v, лежащей винтервале от /> до />Гц. Диапазон световых волнчаще выражают в длинах волн в ва­кууме (практически в воздухе). Используясоотношение длины />световой    волныс частотой колебания, находим, что длины волн света в вакууме заключены впределах от 0,75 до 0,4 мкм. Установлено, что цветовое воздействие света наглаз человека обусловлено его частотой. Так, световые волны с частотой /> Гц воспринимаются каккрасный свет, а с частотой />Гц какфиолетовый. Показано также, что световые волям, отличающиеся подлине волныменее чем на 2 нм, воспринимаются как одноцветные.
1.     Интерференция волн. Интерференцией волн называютявление усиления и ослабления волн в определённых точках пространства при ихналожении. Интерфе­рировать могут только когерентные волны. Когерентныминазываются такие волны (источники), частоты которых одинаковы и разность фазколебаний не зависит от времени. Геометрическое место точек,  в кото­рыхпроисходит усиление или ослабление волн соответственно называютинтерференционным максимумом или интерференционным миниму­мом, а ихсовокупность носит название интерференционной картины. В связи с этим можнодать иную формулировку явления. Интерференцией волн называется явлениеналожения когерентных волн с образованием интерференционной картины.
       Пусть волны создаютсякогерентными источниками O1 и О2. Рассмотрим точку М, на­ходящуюсяна расстоянии l1и l2 от источника (рис. 83.1), в которой происходит наложение
волн. Установлено, что волныусиливают друг друга, если /> и ослабляют друг друга, когда /> где l — длина волны, />    Величина Dl = l1 — l2,т.е. разность расстояний от источников дорассматриваемой точки, называется геомет­рической разностью хода волн. С учётомэтого следует, что когерентные волны, раслространяющиеся в одной среде, уси­ливаютсяв точках, для которых геометрическая разность хода равна це­лому числу длинволн, и ослабляется, когда она составляет полуцелое чис­ло длин волн.
Явление интерференции светаиспользуется для контроля качества об­работки поверхностей, просветленияоптики, измерения показателей пре­ломления вещества и т.д.
Дифракция света. В однородной среде светраспространяется прямолинейно. Об этом свиде­тельствуют резкие тени,отбрасываемые непрозрачными предметами при освещении их точечными источникамисвета. Однако если размеры пре­пятствий становятся сравнимыми с длиной волны,то прямолинейность распространения волн нарушается. Явление огибания волнамипрепятст­вий называется дифракцией. Вследствие дифракции свет проникает в об­ластьгеометрической тени. Дифракционные явления в белом свете сопро­вождаютсяпоявлением радужной окраски вследствие разложения света на составные цвета.Например, окраска перламутра и жемчуга объясняется дифракцией белого света намельчайших его вкраплениях.
Широкое распространение в научномэксперименте и технике получи­ли дифракционные решётки, представляющие собойсистему узких парал­лельных щелей одинаковой ширины, расположенных наодинаковом рас­стоянии d друг от друга. Это расстояние называют постояннойрешётки. Дифракционные решётки изготавливаются с помощью специальной ма­шины,наносящей штрихи (царапины) на стекле или другом прозрачном материале. Там, гдепроведена царапина, материал становится непрозрачным, а промежутки между нимиостаются прозрачными и играют роль ще­лей. Это так называемые прозрачныерешётки. Существуют и отража­тельные решётки, которые получают нанесениемштрихов на металличе­ское зеркало. Действие обеих типов решёток практически неотличается, поэтому рассмотрим явления, происходящие только в прозрачных решёт­ках.Пусть на дифракционную решётку ДР, перпендикулярно к ней, падает параллельныйпучок монохроматического света (плоская монохроматиче­ская световая волна). Длянаблюдения дифракции за ней помещают соби­раюпхую линзу Л, в фокальнойплоскости которой располагают экран Э(рис. 84.1, на котором приведён вид вплоскости, проведённой поперёк щелям перпендикулярно к дифракционной решётке, атакже показаны только лучи у краёв щелей). Вследствие дифракции из щелейисходят све­товые волны во всех направлениях. Выберем одно из них, составляющееугол j снаправлением падающего света. Этот угол называют углом ди­фракции. Свет, идущийиз щелей дифракционной решётки под углом р, собирается линзой в точке Р (точнеев полосе, проходящей через эту точ­ку). Геометрическая разность хода Dl между соответствующими лучами,выходящими из соседних щелей, как видно из рис. 84.1, равна А! = d~siп9.Прохождение света через линзу не вносит дополнительной разности хода. Поэтомуесли А! равна целому числу длин волн, т.е.
/>
то в точке Р волны усиливают другдруга. Это соотношение является условием так называемых главных максимумов.Целое число m называютпорядком главных максимумов.
Если на решётку падает белыйсвет, то для всех значений длин волн положение максимумов нулевого порядка (m = О) совпадут; положение же максимумов более высоких порядков различны: чембольше l,????// тем больше j  при данном значении m. Поэтому центральныймаксимум имеет вид уз­кой белой полосы, а главные максимумы других порядковпредставляют разноцветные полосы конечной ширины — дифракционный спектр. Наи­болееинтенсивными являются спектры первого порядка (m = 1). Спектры более высоких порядков менее ярки. Ес­ли решёткуосвещать немонохроматиче­ским лучом, в составе которого имеется дискретныйнабор длин волн />(такой свет даёт,например, ртутная лам­па), то дифракционный спектр представ­ляет собойсовокупность отдельных цветных линий на тёмном фоне: каждой длине волнысоответствует своя линия. Таким образом, дифракционная решётка разлагаетсложный свет в спектр и по­этому с успехом используется в спектрометрах.Спектрометр — прибор для точного измерения длин волн с помощью дифракционнойрешётки (или призмы), которая разлагает свет в спектр, т.е. на компоненты сразличными длинами волн. Свет от источника(рис. 84.2) через узкую щельнаправляется в коллиматор, который создаёт параллельный лучок света. далее светпопадает на решётку. Наблюдатель поворачивает трубу и при угле j, соответствующему дифракционномумаксимуму увидит яркую линию. Угол может быть измерен с высокой точностью. Поформуле (84.1) определяют длину волны наблюдаемого света. Значениеспектрометров в науке и промышленности огромно, по­скольку с их помощьюосуществляется анализ элементов, входящих в со­став сплавов металлов, анализгазов, жидкостей, твёрдых тел, анализ хи­мического состава звёзд и т.д.Отметим, что элемент гелий впервые был обнаружен спектрально на Солнце, откудаи пошло его название.
Дисперсия света. Явление зависимости показателяпреломления вещества от частоты света называется дисперсией света. Установлено,что с возрастанием частоты света показатель преломления вещества увеличивается.Пусть на трёхгранную призму па­дает узкий параллельный пучок белого света накотором показано сечение призмы плоскость­ю чертежа и одни из лучей). Припрохождении через призму он разлагается на пучки света разного цвета отфиолетового до красного. Цвет­ную полосу на экране называют сплошным спек­тром.Нагретые тела излучают световые волны со всевозможными частотами, лежащими винтерва­ле частот от /> до /> Гц. При разложении этогосвета и наблю­дается сплошной спектр. Возникновение сплошного спектраобъясняется дисперсией света. Наибольшее значение показатель преломления имеетдля фиолетового света, наименьшее — для красного. Это приводит к тому, чтосильнее всего будет преломляться фиолетовый свет и слабее всего —красный.Разложение сложного света при прохождении че­рез призму используется вспектрометрах.
1.Поляризация света. Электромагнитная природасвета. Свет представляет собой элек­тромагнитные волны, в которыхпроисходит периодическое изменение(колебание) напряжённости Е электрического ииндукции В магнитного полей. Направления колебаний векторов Е и В взаимноперпендикулярны
и перпендикулярны к направлениюраспространения волны. Поэтому световая волна являет­ся поперечной. Плоскость,в которой колеблется вектор электрической напряжённости, называют плоскостьюполяризации.
Явление поляризации света. Явления интерференции и дифрак­ции,выявлял волновые свойства све­та, не отвечают на вопрос, являются ли волныпродольными или попереч­ными. Действительно, указанные явления наблюдаются дляобщих видов волн любой природы. Доказательством поперечности световых волн, а,следовательно, и любых электромагнитных волн, является поляризация света.Выясним, в чём заключается это явление? Опытным путём установ­лено, чтофизиологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия светаобусловлены электрическим полем световой волны. По­этому в дальнейшем будетговориться лишь о напряжённости электриче­ского поля, а об индукции магнитногополя упоминаться не будет.
Световая волна, излучаемаясветящимся телом, представляет собой на­ложение огромного числа волн,испускаемых отдельными атомами. Атомы излучают свет независимо друг от друга.Поэтому плоскости поляризация в таких волнах имеют произвольную ориентацию впространстве. Это приводит к тому, что в такой световой волне колебания вектораЕ происходят во всевозможных плоскостях, пересекающихся на оси распростpa­ненияволны (рис.86.1, на котором показаны колебания вектора Е в плос­кости,перпендикулярной к направлению распространения волны). Свето­вая волна, вкоторой колебания вектора Ё совершаются во всех плоско­стях, называетсяестественной или неполяризованной. Такой свет излучают солнце, электрическиелампы, свечи и т.д. Свет, в котором колебания напряжённости электрического, аследовательно, и индукция магнитного полей упорядочены, называютполяризованным. Если колебания вектора Ё происходят в одной плоскости (в одномнаправлении), то такой свет называется плоскополяризованным (рис. 86.2). Посути дела на рис. 76.1 также изображена плоскополяризованная волна.
Билет № 22
1. После открытия электронаТомсон предложил модель строения атома. Согласно этой модели, атом представляетсобой шар, заряженный положительно, внутри которого находятся электроны.Резерфорд, усомнившись в этой модели, провёл опыты по изучению рассеяния a-частиц. Его опыт состоял вследующем. Радиоактивное вещество радий помещалось в контейнер, изготовленныйиз свинца, в котором просверливался узкий канал. Из этого канала узкий пучок a-частиц (ядер гелия) падал натонкую металлическую фольгу, за которой находился экран, покрытыйлюминесцентным составом. Всё это помещалось в сосуд, из которого откачивалсявоздух. Проходя фольгу, a-частицы попадали на экран, на котором наблюдались световые вспышки вместе попадания частицы. Было обнаружено, что подавляющее большинство частицпролетает фольгу, не меняя своего направления. Однако некоторые из нихотклонялись на большие углы. Та­кое рассеяние a-частиц нельзя объяснить, исходя из модели атомаТомсо­на. Поэтому Резерфорд предложил другую модель строения атома, назван­ную ядерной.Согласно этой модели, атом состоит из ядра, в котором со­средоточенапочти вся масса атома и обладающего положительным заря­дом, вокруг котороговращаются электроны, имеющие отрицательный за­ряд. При этом размеры ядра многоменьше размеров атома и заряд ядра равен суммарному заряду электронов поабсолютной величине.
Однако эта модель обладает двумянедостатками.
1.    Согласно классическойэлектродинамике, ускоренно движущиеся заряженные частицы излучают электромагнитныеволны. В атоме элек­троны, двигаясь вокруг ядра, обладают центростремительнымускорением. Поэтому они должны бы излучать энергию в виде электромагнитныхволн. В результате этого электроны будут двигаться по спиральным траектори­ям,приближаясь к ядру, и, наконец, упасть на него. После этого атом пре­кращаетсвоё существование. В действительности же атомы являются устойчивымиобразованиями.
2.   Известно, что заряженныечастицы, двигаясь по окружности, излучают электромагнитные волны с частотой, равнойчастоте вращения час­тицы. Электроны в атоме, двигаясь по спиральнойтраектории, меняют частоту вращения. Поэтому частота излучаемыхэлектромагнитных волн плавно изменяется, и атом должен бы излучатьэлектромагнитные волны в некотором частотном интервале, т.е. спектр атома будетсплошным. В действительности же он линейчатый. Для устранения указанныхнедостат­ков Бор пришёл к выводу, что необходимо отказаться от классическихпредставлений. Он постулировал ряда принципов, которые получили  на­звание постулатовБора.
3.    Постулаты Бора. Первыйпостулат. Существуютстационарные состояния атома, находясь в которых, он не излучаетэнергии. Постулат утверждает, что, несмотря на наличие ускорения у электрона,излучения электромагнитных волн нет. Этим постулатом устранён первый недоста­токядерной модели атома.
Второй постулат. В стационарных состояниях атомобладает опреде­лёнными энергиями. Испускание света атомом происходит, когдаэлектрон переходит из одного стационарного состояния с энергией Wm вдругое с меньшей энергией Wn. При этом испускается одни световой фотон, энер­гия которого определяетсясоотношением />Если происходит переход из состояния с меньшей энергией всостояние с большей энерги­ей, то наблюдается поглощение энергии (света). Изпоследней формулы следует, что частота излученногофотона равна />. Посколькуэнергии, которые принимает атом имеют дискретные (прерывные) значения, то ичастоты электромагнитных волн, испускаемых атомом будут дискретными, т.е. атомизлучает линейчатый спектр. Этим постулатом устранён второй недостаток ядерноймодели атома.
Линейчатый спектр. Если свет, испускаемый нагретымгазом (например, баллоном с водородом, через который пропускается электрическийток), разложить с помощью дифракционной решётки (или призмы) в спектр, товыяснится, что этот спектр состоит из ряда линий. Поэтому такой спектрназывается линейчатым. Линейчатость означает, что в спектре содержатсятолько вполне определенные длины волн />ит.д., а не все, как это имеет место в случае света электрической лампочки.
Спектральный анализ. Линейчатые спектрыиграют особо важную роль, потому что их характер прямо связан со строениематома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий.Поэтому, знакомясь с линейчатыми спектрами, мы тем самым делаем первый шаг кизучению строения атомов. Наблюдая эти спектры, ученые получили возможность«заглянуть» внутрь атома. Здесь оптика вплотную соприкасается с атомнойфизикой.
Главное свойство линейчатыхспектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектракакого-либо ве­щества зависят только от свойств атомов этого вещества, но со­вершенноне зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химическогоэлемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способныизлучать строго определенный набор длин волн.
На этом основан спектральныйанализ метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобноотпечат­кам пальцев у людей, линейчатые спектры имеют неповторимуюиндивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помо­гает часто найтипреступника. Точно так же благодаря инди­видуальности спектров имеетсявозможность определить хими­ческий состав тела. С помощью спектрального анализаможно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже егомасса не превышает 10-10г. Это очень чувствительный метод.
Количественный анализ состава вещества по егоспектру за­труднен, так как яркость спектральных линий зависит не только отмассы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при не очень высокихтемпературах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако присоблюдении стандарт­ных условий возбуждения свечения можно проводить и количест­венныйспектральный анализ.
В настоящее время определеныспектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектральногоанализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементамчасто давали названия в соответствии с цветом наиболее интен­сивных линийспектра. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает«небесно-голубой». Это цвет основ­ных линий спектра цезия.
Именно с помощью спектральногоанализа узнали химический состав Солнца и звезд. другие методы анализа здесьвообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых хими­ческихэлементов, которые имеются и на Земле. Любопытно что гелии первоначальнооткрыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элементанапоминает об исто­рии его открытия: слово гелий означает в переводе«солнечный».
Благодаря сравнительной простотеи универсальности спект­ральный анализ является основным методом контролясостава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощьюспектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.
Состав сложных, главным образоморганических, смесей ана­лизируется по их молекулярным спектрам.
Спектральный анализ можнопроизводить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения.Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследоватьхимический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверх­ность Солнца —фотосфера дает непрерывный спектр. Солнеч­ная атмосфера поглощает избирательносвет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоненепрерывного спектра фотосферы.
Но и сама атмосфера Солнцаизлучает свет. Во время солнеч­ных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной,происходит  «обращение» линий спектра. На месте линий поглощения в солнечномспектре вспыхивает линии излучения.
В астрофизике под спектральныманализом понимают не только определение химического состава звезд, газовыхоблаков и т.д., но и нахождение по спектрам многих других физическиххарактеристик этих объектов: температуры, давления, скорости движения,магнитной индукции.
Билет № 23 такой же как и Билет №22.
Билет № 24
1.Фотоэлектрический эффект. Явление вырывания электронов извещества под действием электро­магнитных излучений (в том числе и света)называют фотоэффектом. Различают два вида фотоэффекта: внешний и внутренний.При внешнем фотоэффекте вырванные электроны покидают тело, а при внутреннем—остаются внутри него. Необходимо отметить, что внутренний фотоэффектнаблюдается только в полупроводниках и диэлектриках. Остановимся только навнешнем фотоэффекте. для изучения внешнего фотоэффекта используется схема, при­ведённаяна рис. 87.1. Анод А и катод К помеща­ются в в сосуд, в котором создаётсявысокий ва­куум. Такой прибор называется фотоэлементом. Если на фотоэлементсвет не падает, то ток в цепи отсутствует, и амперметр показывает ноль. Приосвещении его светом достаточно высокой часто­ты амперметр показывает, что вцепи течёт ток. Опытным путём установлены законы фотоэффекта:
1.   Число электронов, вырываемыхиз вещества, пропорционально интенсивности света.
2.   Наибольшая кинетическаяэнергия вылетаю щах электронов пропорциональна частоте света и не зависит омего интенсивности.
З.   Для каждого веществасуществует красная граница фотоэф­фекта, т.е… наименьшая частота /> света, прикоторой ещё возмо­жен фотоэффект.
Волновая теория света не всостоянии объяснить законы фотоэффекта. Трудности в объяснении этих законовпривели Эйнштейна к созданию квантовой теории света. Он пришёл к выводу, чтосвет представляет собой поток особых частиц, называемых фотонами или квантами.Энергия фотонов e равна e=hn, где n — частота cвeтa, h — постояннаяПланка.
Известно, что для вырыванияэлектрона ему надо сообщить минималь­ную энергию, называемую работой выхода Аэлектрона. Если энергия фотона больше или равна работе выхода, то электронвырывается из вещества, т.е. происходит фотоэффект. Вылетающие электроны имеютразлич­ные кинетические энергии. Наибольшей энергией обладают электроны,вырываемые с поверхности вещества. Электроны же, вырванные из глуби­ны прежде,чем выйти на поверхность теряют часть своей энергии при соударениях с атомамивещества. Наибольшую кинетическую энергию Wк, которую приобретает электрон,найдём, используя закон сохранения энер­гии,
/>  или />
где m и Vm – масса и наибольшая скорость электрона. Это соотношение можно записатьиначе:
/> или />
Это уравнение называютуравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Оно формулируется: энергияпоглощённого фотона расходуется на работу выхода электрона и приобретение имкинетической энергии.
Уравнение Эйнштейна объясняет всезаконы внешнего фотоэффекта. Пусть на вещество падает монохроматический свет.Согласно квантовой теории, интенсивность света пропорциональна энергии, котораяперено­сится фотонами, т.е. пропорциональна числу фотонов. Поэтому с увеличе­ниеминтенсивности света увеличивается число фотонов, падающих на вещество, аследовательно, и число вырываемых электронов. Это есть пер­вый закон внешнегофотоэффекта. Из формулы (87.1) следует, что наи­большая кинетическая энергияфотоэлектрона зависят от частоты v света и от работы выхода А, но не зависит отинтенсивности света. Это второй за­кон фотоэффекта. И, наконец, из выражения (87.2)вытекает вывод, что внешний фотоэффект возможен, если hv ³ А. Энергии фотона должно покрайней мере, хватить хотя бы на вырывание электрона без сообщения емукинетической энергии. Тогда красную границу v0 фотоэффекта находимиз условия hv0= А или v0=А/h. Таким образом объясняетсятретий закон фо­тоэффекта.
2.Применение фотоэффекта. Открытиефотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природысвета. Но ценность науки состоит не только в том, что она выясняет сложное имногообразное строение окружающего нас мира, но и в том, что она даёт нам вруки средства, используя которые можно совершенствовать производство, улучшатьусловия материальной и культурной жизни общества.
С помощью фотоэффекта«заговорило» кино и стала возможной передача движущихся изображений(телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки,которые без всякого участия человека изготовляют детали по заданным чертежам.Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше любогочеловека, вовремя включают и выклю­чают маяки и уличное освещение и т. п.
Все это оказалось возможнымблагодаря изобретению особых устройств — фотоэлемен­тов, в которых энергиясвета управляет энер­гией электрического тока или преобразуется в нее.
Современный фотоэлементпредставляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которойпокрыта тонким слоем металла с малой работой выхода (рис. 208). Это катод.Через прозрачное «окош­ко» свет проникает внутрь колбы. В ее центре расположенапроволочная петля или диск — анод, который служит для улав­ливанияфотоэлектронов. Анод присоединяют к положительному полюсу батареи. Применяемыефотоэлементы реагируют на ви­димый свет и даже на инфракрасные лучи.
При попадании света на катодфотоэлемента в цепи возникает электрический ток, который включает или выключаетто или иное реле. Комбинация фотоэлемента с реле позволяет конструироватьмножество различных видящих автоматов. Одним из них явля­ется автомат в метро.Он срабатывает (выдвигает перегородку) при пересечении светового пучка, еслипредварительно не опу­щена пятикопеечная монета.
Подобного рода автоматы могутпредотвращать аварии. На заводе фотоэлемент почти мгновенно останавливаетмощный пресс, если рука человека оказывается в опасной зоне.
При попадании света нафотоэлемент в цепи батареи G1 через резистор R идет слабый ток. К концамрезистора присоединены база и эмиттер транзистора. Потенциал базы вышепотенциала эмиттера, и ток в коллекторной цепи транзистора отсутствует. Когдарука чело­века попадает в опасную зону, она перекрывает световой поток,падающий на фотоэлемент. Переход эмиттер база открывает­ся для основныхносителей, и через обмотку реле, включенного в цепь коллектора, пойдет ток.Реле сработает, и контакты реле замкнут цепь питания механизма, которыйостановит пресс.
С помощью фотоэлементовосуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке.
Кроме рассмотренного в этой главе фотоэффекта,называемого внешним фо­тоэффектом, разнообразные применения находит внутреннийфотоэффект в по­лупроводниках. Это явление использу­ется в фоторезисторах —приборах, сопро­тивление которых зависит от освещеннос­ти. Кроме того,сконструированы полупроводниковые фотоэлементы, непосредственно преобразующиесветовую энергию в энергию электрического тока. Эти приборы сами могут служитьисточниками тока. Их можно использовать для измерения освещенности, например вфотоэкспонометрах. На том же принципе основано действие солнечных батарей,устанавливаемых на всех космических кораблях.
Билет № 25
Состав атомного ядра. Эксперименты Резерфордапоказали, что атомы имеют очень малое ядро, вокруг которого вращаютсяэлектроны. По сравнению с размерами ядра, размеры атомов огромны и, посколькупрактически вся масса атома заключена в его ядре, большая часть объёма атомафактически является пустым пространством. Атомное ядро состоит из нейтронов ипротонов. Элементарные частицы, образующие ядра (нейтроны и протоны) — назы­ваютсянуклонами. Протон (ядро атома водорода) обладает положитель­ным зарядом +е, равнымзаряду электрона и имеет массу в 1836 раз боль­ше массы электрона. Нейтрон —злектрически нейтральная частица с мас­сой примерно равной 1839 масс электрона.
Количество протонов Z в ядренейтрального атома равно числу элек­тронов в его электронной оболочке иопределяет его заряд, равный +Ze. Число Z называется зарядовым числом иопределяет порядковый номер химического элемента периодической системыМенделеева. N — число нейтронов в ядре, А — массовое число, равное суммарномуколичеству протонов Z и нейтронов N в ядре. Ядро атома обозначается тем жесимво­лом, что и химический элемент, снабжаясь двумя индексами (например, />), из которых верхнийобозначает массовое, а нижний зарядовое число.
Изотопами называются ядра с одним и тем жезарядовым числом и различными массовыми числами. Большинство химическихэлементов имеет несколько изотопов. Они обладают одинаковыми химическимисвойствами и занимают одно место в таблице Менделеева. Например, водород имееттри изотопа: протий (/>),дейтерий (/>) и тритий (/>). У кислородавстречаются изотопы с массовыми числами А = 16, 17, 18. В подавляющембольшинстве случаев изотопы одного и того же химическо­го элемента обладаютпочти одинаковыми физическими свойствами (исключение составляют, например,изотопы водорода)
Приближённо размеры ядра былиопределены в опытах Резерфорда по рассеянию a-частиц. Наиболее точные результаты получаются при изуче­ниирассеяния быстрых электронов на ядрах. Оказалось, что ядра имеют примерносферическую форму и её радиус зависит от массового числа А по формуле/> м.
Энергия связи ядра. Атомные ядра, состоящие изположительно заряженных протонов и нейтронов, представляют собой устойчивыеобразования несмотря на то, что между протонами существует сильноеотталкивание. Устойчивость ядер свидетельствует, что между нуклонами в ядредействуют силы при­тяжения, превосходящие силы электростатического отталкиванияпрото­нов. Их назвали ядерными силами. Эти силы обладают рядом особенностей:
1)   Они являются только силамипритяжения и значительно сильнее электростатического отталкивания протонов.
2)   Эти силы короткодействующие.Расстояние, на котором ещё дейст­вуют ядерные силы, называют радиусом действияэтих сил. Он равен примерно />м.
3)   Ядерные силы являютсязарядово независимыми. Это означает, что взаимодействие двух нуклонов совсем независит от того, обладают или не обладают они зарядом. Ядерные силы между двумяпротонами, или двумя нейтронами, или протоном и нейтроном одинаковы
4)   для ядерных сил характернонасыщение, подобно насыщению сил химической связи валентных электронов атомов вмолекуле. Насыщение проявляется в том, что нуклон взаимодействует не со всемиостальными нуклонами ядра, а лишь с некоторыми ближайшими соседями.
Для изучения ядерных сил,казалось бы, надо знать их зависимость от расстояния между нуклонами. Однакоизучение связи между нуклонами может быть проведено и энергетическими методами.
О прочности того или иногообразования судят по тому, насколько легко или трудно его разрушить: чемтруднее его разрушить, тем оно прочнее. Но разрушить ядро — это значитразорвать связи между его ну­клонами. для разрыва этих связей, т.е. длярасщепления ядра на состав­ляющие его нуклоны, необходимо затратитьопределённую энергию, на­зываемую энергией связи ядра.
Оценим энергию связи атомныхядер. Пусть масса покоя нуклонов, из которых образуется ядро, равна />, Согласно специальнойтеории относительности, ей соответствует энергия />,рассчитываемая по формуле />, где с —скорость света в вакууме. После образования ядро об­ладает энергией />. Здесь М— масса ядра.Измерения показывают, что масса покоя ядра всегда меньше, чем масса покоячастиц в свободном состоянии, составляющих данное ядро. Разность этих массназывают де­фектом массы. Поэтому при образовании ядра происходит выделениеэнергии />. Из закона сохраненияэнергии можно заключить, что такая же энергия должна быть затрачена на расще­плениеядра на протоны и нейтроны. Поэтому энергия связи /> равна/>. Если ядро с массой Мобразовано из Z протонов с массой /> И из N = А -  Zнейтронов с массой />, то дефект массыравен />
C учетом этого энергия связинаходится по формуле:
/>
Об устойчивости ядер судят посредней энергии /> связи, приходя­щейсяна один нуклон ядра, которая называется удельной энергией связи. Она равна
                                                                                     />                                                                                
На рис.91.1 показана зависимостьудельной энергии связи от массово­го числа А. Видно, что самое большое значениеудельной энергии связи имеют нуклоны химических элементов, занимающих серединутаблицы
Менделеева (30 приблизительносоставляет 7,6 МэВ.
Ход зависимости удельной энергиисвязи, приведённый на рис. 91.1, позволяет
понять механизм выделения ядерной энер­гии. Из общих соображений ясно, чтоэнергия будет выделяться при таких ядерных реакциях, при которых удельнаяэнергия связи продуктов реак­ции будет превышать удельную энергию исходныхядер. Это условие мо­жет быть выполнено двумя способами: или делением тяжёлыхядер на бо­лее лёгкие, лежащие в средней части таблицы Менделеева, или синтезомлёгких ядер, находящихся в начале таблицы, в более тяжёлое ядро. На­пример,если ядро изотопа урана-235 (у которого удельная энергия связи7,6 МэВ)разделить на два ядра, близких по массовому числу к железу и никелю (у которыхудельная энергия связи около 8,75 МэВ), то выделится избыток ядерной энергии,равный 8,75 — 7,6 =1,15 МэВ на каждый нуклон или свыше 200 МэВ на каждоеразделившееся ядро урана. При синтезе(соединении) же двух изотопов водорода —дейтерия />, имеющих удельные энергиисвязи 1,11 МЭВ, в ядро гелия, у которого /> =7,05 МэВ, выделяется энергия  7,05-1,11=6,94 Мэв.
Цепная реакция. Установлено, что прибомбардировке ядер урана нейтронами происхо­дит распад ядра на две примерноравные части. Отметим три важные осо­бенности таких реакций:
1. Легко делятся ядра одного изизотопов урана />
2. В результате реакции делениявысвобождается огромное количество энергии. Это связано с тем, что масса ядра урана больше суммарной массы осколков деления. Образующийся дефект массы иприводит к выделениюэнергии всоответствии с формулой Эйнштейна />.
       Важной особенностьюрассматриваемой ядерной реакции является то, что при делении ядра урана выделяется 2 или З нейтрона. Физики по­няли,что нейтроны, испускаемые в каждом акте деления, можно исполь­зовать дляосуществления цепной реакции: один нейтрон делит одно ядро урана, два или три образовавшихся нейтрона вызовутдополнительные де­ления и таким образом процесс лавинообразно нарастает, какпоказано на рис. 95.1. для трёх нейтронов.
При практическом осуществлениицепной ядерной реакции приходит­ся решать ряд сложных проблем, из которыхрассмотрим три:
а)    Легко делятся ядра изотопаурана-235, а его содержится в природ­ном уране лишь 0,7%, остальное — изотопурана-238. Поэтому приходится решатьпроблему увеличения процентного содержания (“обогащения”) урана изотопом-235.Это и составляло основную проблему в процессе соз­данияатомной бомбы и реакторов.
б)   Оказалось, что ядра урана де­лятсямедленными нейтронами, а при делении выделяются быстрые ней­троны. Появляетсязадача уменьшить кинетическую энергию нейтронов(замедлить нейтроны), т.е.создать замедлитель. Такими замедлителями являются тяжёлая вода 1)20 и графит.
в)    Третья проблема состоит втом, что часть нейтронов вылетает из мас­сы урана, не успев вызвать дальней­шееделение. Поэтому для того, что­бы цепная реакция проходила, масса Рис. 95.1урана должна превышать некоторое значение называемое критической массой,которая составляет несколько килограмм.
Ядерная цепная реакцияосуществляется в атомной бомбе и в атомных реакторах. для осуществления взрываатомной бомбы необходимо сбли­зить две массы с суммарной массой равнойкритической. При взрыве атомной бомбы выделяется огромное количество энергии ивозникает ин­тенсивная радиация вследствие того, что образовавшиеся осколкиядер являются радиоактивными. После взрыва образуется радиоактивное обла­ко,которое после выпадения на землю загрязняет окружающую среду. Ядерную реакцию,происходящую в атомной бомбе, называют неуправ­ляемой. Управляемая реакцияосуществляется в ядерных реакторах, ис­пользуемых на атомных электростанциях(АЭС).
/>Атомные электростанции. Если в атомной бомбе происходитне­управляемая цепная реакция, то в созданных ядерных реакторах она носитуправляемый характер. Суть управляемой реакции заключается в том,  чтосоздаются условия, когда на каж­дый процесс деления ядра урана-235 или плутонияприходится в среднем о—,. только один нейтрон, вызывающий новый акт деления,другие же обра­зовавшиеся нейтроны вылетают из системы или поглощаются атомнымиядрами других веществ (рис. 95.2). Таким образом, скорость выделения энергиибудет поддерживаться одинаковой. Сердцем атомной электро­станции являетсяядерный реактор 1 (рис. 95.3). В качестве горючего ис­пользуются ураи-235 иплутоюiй-239. Для управления потоком нейтронов в атомных реакторах применяютсяуправляющие стержни 3, содержащие кадмий или бор, которые хорошо поглощаютнейтроны. Эти стержни вво­дят в активную зону реактора 2 (топливо —замедлитель). Когда стержни полностью погружены в реактор, они поглощаютстолько нейтронов, что цепная реакция в реакторе не идёт. При выведениистержней увеличивает­ся число нейтронов в реакторе и начинается реакция. Вкачестве замедлителя нейтронов (а именно такие нейтроны вызывают деление ядерурана-235) используют графит или тяжелую воду. для обеспечения безопасностиработающего персонала от радиоактивных излучений реактор помещают в защитнуюоболочку 4. Необходимо отметить, что для получения самопод­держивающейся цепнойреакции, как и  в атомной бомбе, масса топлива должна быть не меньшекритической. Критическая масса зависит от вида горючего и составляет несколькокилограмм. Энергия, выделяемая реакто­ром (1) в виде тепла, снимаетсятеплоносителем (вода, жидкий натрий), циркулирующим в замкнутом контуре (5).Циркуляция обеспечивается на­сосом (б). В теплообменнике (7) теплоносительотдаёт тепло воде, пре­вращая её в пар, который вращает паровую  турбину (8).Турбина соедине­на с электрогенератором (9), вырабатывающим электроэнергию. Изпаро­вой турбины пар поступает в конденсатор 10. Происходит его конденсация вводу, которая поступает в теплообменник.  Охлаждение пара в конденса­тореосуществляется водой из искусственно созданного водоёма (11)..
5. Условия термоядернойреакции. Ядерные реакции, в которых из лёгких ядер образуются более тяжёлыеядра, называются реакциями термоядерного синтеза (термоядерными реакциями). Присинтезе суммарная масса исходных ядер, превышает массу образовавшегося ядра, врезультате выделяется энергия. Например, ядра дейтерия D (/>) при слиянии образуют ядрогелия />. Расчёты по­казывают, чтодва грамма дейтерия выделяют 1013 Дж энергии. Особенно благоприятными по рядупричин оказались условия синтеза ядер тяжёлых изотопов водорода — дейтерия итрития: />Для того чтобы произошлатермоядерная реакция надо положительно- заряженные ядра сблизить настоль малыерасстояния, чтобы между ними возникли ядерные силы, для преодолениякулоновского отталкивания ядер, нужно сообщить им огромную энергию, нагретьвещество до температуры 107 К. В водородной бомбе, в которойосуществляется написанная выше реакция, высокая температура достигается за счётвзрыва атомной бомбы, при ко тором получается температура 10 млн, град. Взрывводородной бомбы представляет собой не управляемую термоядерную реакцию:энергия вы­деляется в огромном количестве в одно мгновение и е~ можно использо­ватьтолько для разрушения. Однако человечеству необходима управляе­мая термоядернаяреакция, т.е. реакция, в ходе которой энергию можно было бы отбирать в нужномколичестве в нужное время. Такая реакция очень выгодна, поскольку запасовдейтерия и трития хватит практически на неограниченное время, тогда как запасыисточников энергии, которыми пользуемся в настоящее время (нефть, газ, уголь)ограничены.
Условие, необходимое дляпротекании термоядерной реакции, было сформулировано физиком Лоусоном (критерийЛоусона). Оно записывает­ся как/>дляреакции /> />дляреакции />, где n — концентрация частиц, т.е.число частиц в од­ном см3,i— время их удержания вместе в секундах. Эти соотношенияот­ражают необходимость сохранения высокой плотности частиц при упомя­нутойвысокой температуре (порядка нескольких десятков миллионов гра­дусов) в течениеопределённого времени. Из этого соотношения, кстати, видно, что реакция синтезаядра гелия из дейтерия и трития более выгод­на, чем из двух ядер дейтерия,поскольку накладываемые требования в первом случае менее жесткие.
Реакция термоядерного синтеза невзрывного характера осуществлена природой на Солнце и звёздах, где достигаетсятемпература в миллионы градусов. При таких высоких температурах возникаетособое состояние вещества — плазма. Высокотемпературная плазма представ­ляетсобой сильно ионизированный газ, в котором ядра и электроны суще­ствуютнезависимо друг от друга. Степень ионизации плазмы очень вели­ка, благодарячему плазма является хорошим проводником.
Таким образом, для осуществленыуправляемой термоядерной реак­ции нужно создать высокотемпературную плазму,которую надо ещё удержать? Частицы, обладая колоссальной кинетической энергией,стре­мятся сразу же разлететься, а в природе нет такого материала, который бывыдерживал миллионы градусов. Для удержания плазмы физики предпо­ложили двапути решения этой задачи. Первый путь заключается в удер­жании плазмы с помощьюмагнитного поля. Если на газо-разрядную трубку наложить магнитное поле,совпадающее по направлению с электрическим полем, то в такой трубке возникаетплазменный шнур. Заряженные части­цы плазмы под действием силы Лоренца будутописывать спиральные тра­ектории вокруг магнитных силовых линий. Чем сильнеемагнитное поле, тем меньше радиус плазменного шара. Сила, которая действует наток заряженных частиц, со стороны магнитного поля и есть причина образо­ванияшнура, не соприкасающегося со стенами газоразрядной трубки; плазма, как бывисит в вакууме. Наибольший успех достигнут на установ­ках, получивших названиетокамак, разработанных в СССР. В этих уста­новках удалось разогреть плазму до60 миллионов градусов и добиться слияния ядер дейтерия и трития. Пока неудаётся удержать плазму дли­тельное время, но исследования в этом направлениипродолжаются. Вто­рое направление — это создание управляемого термоядерногосинтеза с помощью лазерного излучения. Самые мощные лазеры могут разогретьвещество с помощью короткого импульса до температуры 50 млн, град. Поэтомупоявилась возможность осуществить термоядерную реакцию в виде микровзрыва, дажебез использования удерживающего плазму маг­нитного поля, так как реакцияпротекает быстро и дейтерий с тритием не успевают разлететься. В этом случаетехнически реакция осуществляется воздействием мощного лазерного импульса натвёрдую замороженную таблетку из дейтерия и трития. Такие эксперименты ужеосуществлены и термоядерная реакция проходила. Однако число прореагировавшихядер мало и технически воплотить эту идею пока не удаётся.