--PAGE_BREAK--v-v0)/t ÞFt=mv-mv0.Ft— импульс силы. Его направление такое же, как и у вектора силы.
Закон сохранения импульса.
Геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел системы. Замкнутая система тел- совокупность тел, взаимодействующих между собой, но не взаимодействующих с другими телами. Импульс- одна из немногих сохраняющихся величин.
Работа постоянной силы (или механическая работа) равна произведению модулей векторов силы и перемещения на косинус угла между этими векторами. Если на тело действует несколько сил, то берут их равнодействующую. A=Fscosa.За 1 Дж принимают работу, совершаемую силой в 1Н на пути, равном 1 м, при условии, что направление силы и перемещения совпадают. [Дж]=[Н м].
Мощность.
Мощность- величина, равная отношению совершенной работы к промежутку времени, за который она совершена.[Ватт]=[Дж/с]. N=A/t=FS/t=Fu.
Энергия.
Энергия- способность тела совершать работу. Она бывает кинетическая (у движущегося тела) и потенциальная (у тела, поднятого над землей). В замкнутых системах энергия никуда не исчезает, а просто превращается из одного вида в другой и обратно. Сумма этих двух энергий составляет полную энергию тела.
Единицы измерения работы и мощности.
Работа измеряется в Джоулях (Дж). 1 Дж- работа, совершаемая силой в 1Н на пути, равном 1 м, при условии, что направление силы и перемещения совпадают. [Дж]=[Н м].
Кинетическая энергия- изменение половины произведения массы тела на квадрат его скорости. EK=mv2/2. Кинетическая энергия тела массы m, движущегося со скоростью v, равна работе, которую нужно совершить, чтобы сообщить телу эту скорость. Кинетическая энергия- физическая величина, характеризующая движущееся тело; изменение этой величины равно работе силы, приложенной к телу. Теорема о кинетической энергии: работа силы (или равнодействующих сил) равна изменению кинетической энергии.A=EK1-EK2.
Связь между приращением кинетической энергии тела и работой приложенных к нему сил.
Потенциальная энергия тела- энергия, зависящая от положения тела или частиц тела относительно друг друга. Потенциальная энергия тела, поднятого на некоторую высоту над нулевым уровнем, равна работе силы тяжести при падении тела с этой высоты до нулевого уровня. A=EP=mgh. Потенциальная энергия деформированного тела равна работе силы упругости при переходе тела (пружины) в состояние, в котором его деформация равна нулю.A=kx2/2.
Потенциальная энергия тел вблизи поверхности Земли.
Потенциальная энергия тела, поднятого на некоторую высоту над нулевым уровнем, равна работе силы тяжести при падении тела с этой высоты до нулевого уровня. A=EP=mgh.
Потенциальная энергия упруго деформированного тела.
1.4.Статика твердого тела.
Силы- векторные величины, следовательно над ними можно производить такие же действия, что и над векторами (складывать по правилу параллелограмма).
Момент силы относительно оси вращения.
Момент силы- величина, измеряемая произведением силы на плечо и взятая со знаком «+», если сила вызывает поворот тела по часовой стрелке, и со знаком «-», если против часовой стрелки.М=F l. Когда линия действия силы проходит через ось вращения, то плечо силы равно нулю, поэтому и момент силы, направленной вдоль прямой, проходящей через ось вращения, равен нулю. [М]=[Н м]
Правило моментов.
Равновесие- состояние механической системы, в котором тела остаются неподвижными по отношению к выбранной системе отсчета. Существует: устойчивое, неустойчивое и безразличное равновесие.
1)Сумма всех сил, приложенных к телу, равна нулю.
2)Сумма моментов всех сил, приложенных к телу относительно оси вращения (или любой другой оси, параллельной оси вращения) равна нулю.
Центр тяжести тела.
Центр масс (центр тяжести)- точка, через которую должна проходить линия действия силы, чтобы тело двигалось поступательно. Любая сила, линия действия которой не проходит через центр масс, непременно вызывает поворот или вращение тела.
Устойчивое, неустойчивое и безразличное равновесие тел.
1.5.Механика жидкостей и газов.
Сила давления- сила, действующая на погружающееся тело со стороны жидкости или газа и направленная вверх. Они возникают в результате сжатия жидкости или газа, то есть силы давления- это силы упругости. Силы давления всегда перпендикулярны поверхности, на которую действуют, и распределены по ней равномерно.Давлением на данный участок называется величина, измеряемая отношением силы давления, действующей на данный участок, к его площади.p=F/S. Давление столба жидкости или газа на глубине hравно p=rgh.
Единицы измерения давления: Паскаль, мм рт. ст.
Жидкость или газ, заключенные в замкнутый сосуд, передают производимое на них поверхностное давление по всем направлениям одинаково.
Гидравлический пресс.
В основе принципа лежи закон Паскаля. Приложим к поршню силу F, она создаст давление p=F1/S1ÞБольшой поршень начнет подниматься и создаст силу F2=pS2ÞF2/F1=S2/S1. Гидравлический пресс позволяет с помощью малой силы уравновесить большую силу.
Давление жидкости на дно и стенки сосуда.
Пусть дно горизонтально, тогдаР=rgh, F=rghS=rgV. Если дно обладает произвольной формой, но одинаковой площадью S, то F=rgV.m=rV=rSh, mg=rghS=PSÞP=mg/S. Давление на дно сосуда всегда одинаково, несмотря на его форму. На стенки давление жидкости будет Р=rgh, где h— глубина, на которой измеряется давление на стенки.
Сообщающиеся сосуды.
Так как воздух- газ и обладает весом, то он способен передавать производимое на него давление во все стороны равномерно, Þсуществует давление, уменьшающееся кверху и увеличивающееся книзу. Это подтвердил опыт Торричелли. Нормальное атмосферное давление- давление, при котором высота ртутного столба равна 760 мм.
Опыт Торричелли.
В стеклянную трубку длиной 1 м, запаянную с одного конца, заливают ртуть. Затем отверстие трубки закрывают, трубку переворачивают и помещают в сосуд с ртутью. Когда отверстие откроют, то столб ртути немного опустится и установится на определенной высоте (760 мм). В трубке с ртутью образуется безвоздушное пространство («торичеллиева» пустота). Ртуть не вытекает из трубки полностью, так как на нее действует сила тяжести со стороны воздуха на сосуд с ртутью и распределяется равномерно во все стороны.
Изменение атмосферного давления с высотой.
Закон Архимеда: на тело, помещенное в газ или жидкость, действует вертикально вверх сила, равная весу вытесненного телом газа или жидкости. Выталкивающая сила всегда приложена к центру тяжести вытесненного объема жидкости или газа.
Плавание тел.
1.6.Механические колебания и волны. Звук.
Колебание- движение, при котором тело (материальная точка) поочередно смещается то в одну, то в другую сторону. Условия, необходимые для наличия колебаний:
1)наличие возвращающей силы, возникшей в системе в результате выведения ее из положения равновесия;
2)отсутствие трения в системе (или очень мало);
3)система должна обладать инертностью.
Период и частота колебаний.
Период- время одного полного колебания; T=2pÖm/k¢, T=2pÖl/g¢.Частота- число полных колебаний за единицу времени. 1Герц (Гц)- частота такого колебательного движения, при котором колеблющееся тело совершает одно полное колебание за одну секунду. [Гц]=[1/с]
Гармонические колебания- колебания, при которых величина смещения тела от положения равновесия с течением времени подчиняется законам: x=Asin(wt+j), x=Acos(wt+j).
Закон свободных гармонических колебаний: x=Asin(wt+j), x=Acos(wt+j); u=x¢(t)=Аwcos(wt+j); a=u¢(t)=-Аw2sin(wt+j).
Гармонические колебания характеризуют:
1)период- время одного полного колебания; T=2pÖm/k¢, T=2pÖl/g¢;
2)амплитуда- максимальное смещение от положения равновесия;
3)частота- число полных колебаний за единицу времени. 1Герц (Гц)- частота такого колебательного движения, при котором колеблющееся тело совершает одно полное колебание за одну секунду.
Смещение, амплитуда и фаза при гармонических колебаниях.
Свободные колебания- колебания, возникшие в системе под действием внутренних сил этой системы после того, как она была выведена из положения равновесия. Внутренние силы- силы, действующие между телами внутри рассматриваемой системы.
Колебания груза на пружине.
Система, состоящая из тела, скрепленного с пружиной. После выведения этой системы из состояния равновесия пружина окажется деформированной, а на тело будет действовать сила упругости- тело будет колебаться.
Математический маятник.
Математический маятник- подвешенный к тонкой нити груз, размеры которого много меньше длины нити, а его масса много больше массы нити (т.е. груз можно считать материальной точкой, а нить невесомой).
Периоды их колебаний.
Fупр.+Fтяж.=F, проектируем на ось.
F=0-mgsina=-mgx/l=-kx=ma
-kx=ma Þa=-kx/m;
k/m=w2; w=Ök/m¢=2p/T
Период колебаний груза на пружине: T=2pÖm/k¢
Так как k=mg/l, топериод колебаний математического маятника T=2pÖl/g¢.
Превращение энергии при гармонических колебаниях.
t=0: выведение тела из положения равновесия, сообщение телу потенциальной энергии, нет скорости тела; EP=kx2/2.
t=T/8: возникает у тела скорость под действием силы упругости.
t=T/4: прохождение телом положение равновесия с мах скоростью.
t=3T/8: тело смещается в противоположную сторону.
t=T/2: тело смещается в крайнее положение, нет скорости тела.
Вынужденные колебания- колебания системы, которые вызываются действием на нее внешней силы, периодически изменяющейся с течением времени. F=F0sinwt, F=F0coswt.
Резонанс.
Поперечные и продольные волны.
Поперечная волна- волна, в которой колебания частиц вещества происходят перпендикулярно к распространению волн. Продольная волна- волна, в которой колебания частиц вещества происходят вдоль линии распространения волн.
Длина волны.
Длина волны (l)- расстояние, на которое распространится волна за время, равное одному периоду колебаний.
Скорость распространения волны.
Скорость распространения волны- скорость перемещения гребня или впадины в поперечной волне и скорость сжатия и разжатия в продольной волне.
Принцип Гюйгенса.
Каждая точка фронта волны является точечным источником так называемых вторичных волн. Френель дополнил принцип Гюйгенса: вторичные волны, исходящие из любой точки фронта волны обязательно интерферируют.
2.Молекулярная физика и термодинамика.
2.1.Основы молекулярно-кинетической теории.
1)Все вещества состоят из мельчайших частиц- молекул.
2)Молекулы находятся в беспрерывном хаотическом движении.
3)Между молекулами существуют силы взаимодействия- притяжения и отталкивания.
4)Молекулы любого вещества разделены промежутками.
Молекула- мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его свойствами.
Броуновское движение.
В 1827 г. английский ботаник Броун заметил движение пылинок в капле воды.
Масса и размер молекул.
Относительная молекулярная масса- число, показывающее во сколько раз масса молекулы данного вещества больше 1/12 массы молекулы углерода (1,66 10-27). Количество вещества- физическая величина, пропорциональная числу структурных элементов системы. Молярная масса- масса вещества, взятого в количестве 1 моль. М=m0NА. n=m/M, n=N/NA, N=NAm/M
Моль вещества.
Моль- количество вещества, масса которого в граммах равна молекулярной массе. Число Лошмидта показывает сколько молекул при нормальных условиях находится в единице объема. Оно равно 2,7 1025 м-3.
Постоянная Авогадро.
NА=6,02 1023 моль-1 — число Авогадро. Оно показывает, какое число молекул содержится в моле. Опытным путем было доказано, что в моле любого вещества содержится одно и то же число молекул.
Характер движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах.
В газах при нормальном атмосферном давлении молекула двигалась бы прямолинейно, если бы не было других молекул. В реалии это не так, поэтому направление и скорость молекул беспрерывно меняются. В жидкостях молекулы расположены практически вплотную друг к другу, и поэтому их движение напоминает «топтание на месте» в окружении тех же соседей. В твердых телах каждая молекула совершает колебательное движение около своего положения равновесия, причем направление, вдоль которого совершаются эти колебания, и их амплитуда беспрерывно меняются.
Температура и ее физический смысл.
Температура- важнейший микропараметр системы.
Свойства: 1)характеризует внутреннее состояние тела, 2)температура тел, находящихся в тепловом контакте выравнивается.
Термодинамическое равновесие- такое состояние, при котором все макропараметры остаются неизменными сколько угодно долго.
Измерение температуры:
1)тело необходимо привести в тепловой контакт с термометром;
2)масса термометра должна быть значительно меньше массы тела;
3)показания термометра следует отсчитывать после наступления теплового равновесия.
Физический смысл температуры: температура- мера средней кинетической энергии молекул (мера интенсивности движения молекул).
Шкала температур Цельсия.
1)Молекула не имеет собственного объема, то есть представляет собой материальную точку.
2)Время столкновения молекул друг с другом значительно меньше, чем время между двумя столкновениями.
3)взаимодействие молекул газа происходит только при столкновениях, которые являются упругими.
4)Межмолекулярные силы взаимодействия отсутствуют.
Основное уравнение МКТ идеального газа.
F=ma=m(v-v0)/t ÞFt=mDv
FDt=Dmv- закон импульса
FDt=D(m0vX)=vXm0-(-vXm0)=2m0vX, Dt=2L/vXÞF=m0vx2/L, F=Nm0v2/3L, P=1/3nm0v2
Это уравнение называется уравнение Клаузиса. Следствия: 1)P=1/3rv2, 2)P=2/3Ekn.
Средняя кинетическая энергия молекул и температура.
Температура, выраженная в шкале Кельвина, пропорциональна средней кинетической энергии молекулP/n=const.P/n=2/3EK.P/n=kT. 2/3EK=kT, EK=3/2kT.k=R/NA. k— константа Больцмана.
Постоянная Больцмана.
k=R/NA— константа Больцмана. k=1,38 10-23Дж/К Она связывает температуру в энергетических единицах с температурой в Кельвинах. Физический смысл температуры: температура- мера средней кинетической энергии поступательного движения молекул.
P=2/3EKn=2/3*3/2kT=nkT- закон Авогадро.
Абсолютная температурная шкала.
Это уравнение, связывающее макропараметры между собой.
P=nkT=kTN/V
PV/T=kmNA/M=kNAm/M
Универсальная газовая постоянная.
kNA-универсальная газовая постоянная R.R=8,31 Дж/Кмоль.
PV/T=Rm/M=Rn
Rчисленно равна работе против внешних сил, которую совершает при изобарном расширении 1 моль идеального газа при нагревании на 1 К.
Изотермический, изохорический, изобарный процессы.
Еще до создания МКТ идеального газа его свойства изучались:
изотермический закон(Бойля- Мариотта): Т=const ÞPV=const
изохорический закон (Шарля): V=constÞP/Т=const
2.2.Элементы термодинамики.
Внутренняя энергия системы.
Это сумма кинетических энергий хаотического движения молекул и потенциальная энергия их взаимодействий. Ее можно изменить совершением работы (над телом или телом) или теплопередачей (теплопроводность, конвекция, излучение).
Теплопроводность- процесс передачи внутренней энергии от одних частей тела к другим.
Конвекция- теплообмен, который происходит при перемещении неравномерно нагретых жидкостей или газов под действием силы тяжести.
Излучение- теплопередача, определяемая только наличием температуры тела.EK=kTi/2; i— число степеней свободы. U=nRTi/2
Количество теплоты и работа как мера изменения внутренней энергии.
Количество теплоты- энергия, переданная в процессе теплопередачи. Количество теплоты- это мера изменения энергии и имеет смысл только при процессах обмена энергии. Q=DU- изменение внутренней энергии. Работа: A=FDh=PSDh=PDV.
Теплоемкость тела.
Q=cmDT, C=QM/mDT; С=DQ/Dt.
с (удельная теплоемкость вещества)- количество теплоты, которое получает или отдает 1 кг вещества при изменении его температуры на 1°С.
С (молярная теплоемкость)- количество теплоты, которое получает или отдает 1 моль вещества при изменении его температуры на 1°С.
Понятие об адиабатическом процессе.
Адиабатический процесс- процесс, в ходе которого система не получает и не отдает энергию в процессе теплообмена.Q=0 Þ-DU=A
Адиабатный процесс может проходить с совершением работы против внешних сил и без нее. Q=0; A=-DU=-cVmDT=-CVDT=-CV(T2-T1)=-CV(P2V2-P1V1)/R=-CV(P2V2-P1V1)/(CP-CV)=-CV(P2V2-P1V1)/CV(g-1)=-(P2V2-P1V1)/(g-1).
Уравнение Пуассона:PVg= const.
Первый закон термодинамики.
Первый закон термодинамики- закон сохранения энергии в тепловых процессах: теплота, переданная системе, идет на увеличение внутренней энергии и на совершение работы.
Применение первого закона термодинамики к изопроцессам.
Количество теплоты, сообщенное системе извне, расходуется на изменение ее внутренней энергии и на работу, совершаемую системой против внешних сил.
Q=DU+Aвнешних сил
Следствия:
1)A=0 ÞQ=DU (Q=±cmDt, Q=±lm, Q=±Lm)
2)Q=0 ÞA=-DU
3)DU=0 ÞQ=A
Термодинамические процессы:
1)T=const ÞDU=0 ÞQT=A
2)V=const ÞDV=0, A=0 ÞQV=DU
3)P=const ÞQP=DU+A=DU+PDV=QV+PDV.
Расчет работы газа с помощью
PV
-диаграмм.
A=åPiDVi. Если объем увеличивается, то работа взята со знаком +, если уменьшается, то -. При изобарическом процессе A=P(V2-V1).
Теплоемкость одноатомного идеального газа при изохорном и изобарном процессах.
Первое начало термодинамики не налагает никаких ограничений на возможность перераспределения энергии внутри изолированной системы. То есть можно утверждать, что менее нагретое тело может отдавать свою энергию более нагретому. Направление процессов определяется вторым началом термодинамики. Существует функция, называемая энтропией (), которая обладает тем свойством, что при всех реально протекающих процессах она возрастает. DS=DQ/T, где DQ— тепло, получаемое или отдаваемое телом, T— температура тела.
Второй закон термодинамики.
Невозможно провести теплоту от холодного тела к горячему, не совершая работы.
Физические основы работы тепловых двигателей.
Тепловой двигатель- устройство, преобразующее теплоту в механическую энергию. Физические принципы, лежащие в основе устройства тепловых машин, являются следствием второго закона термодинамики. Рабочее топливо (газ) может расширяться только до тех пор, пока его давление больше атмосферного. Его расширение заканчивается, когда давление уравновешивается (рано или поздно это произойдет). Чтобы заставить газ снова работать, надо вернуть его в первоначальное состояние. Это можно сделать, совершив работу над газом, Þработа любого теплового двигателя должна состоять из периодически повторяющихся циклов расширения и сжатия.
КПД теплового двигателя и его максимальное значение.
2.3.Изменение агрегатного состояния вещества.
Испарение, кипение.
Испарение- парообразование, происходящее с поверхности жидкости. Скорость испарения зависит от рода жидкости. Испарение происходит при любой температуреи возрастает с ее повышением. Испарение происходит с поверхности жидкости и увеличивается при увеличении этой поверхности. При ветре испарение происходит быстрее. Испарение увеличивается при уменьшении давления. Твердые тела тоже могут испаряться. Внутренняя энергия испаряющейся жидкости уменьшается. Если нет притока энергии извне, то испаряющаяся жидкость охлаждается. Кипение- это интенсивный переход жидкости в пар вследствие образования и роста пузырьков пара, которые при определенной температуре для каждой жидкости всплывают на ее поверхность и лопаются. Температура кипения- это температура, при которой жидкость кипит. Во время кипения температура жидкости не меняется.
Удельная теплота парообразования.
Удельная теплота парообразования(L)— количество теплоты, необходимое для превращения единицы массы одной жидкости в пар той же температуры, при которой находится жидкость.Q=Lm. [Q]=[Дж/кг].
Насыщенный пар.
Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром. При этом сколько молекул покидает жидкость в единицу времени, столько же и конденсируется. Все другие пары называются ненасыщенными. Давление насыщенного пара не зависят от объема, занимаемого паром, а определяются только его температурой. При повышении температуры давление увеличивается. Точка росы- температура, при которой пары, находящиеся в воздухе, становятся насыщенными.
Зависимость давления и плотности насыщенного пара от температуры.
Зависимость давления от температуры, найденная экспериментально, не является прямо пропорциональной, как у идеального газа. С увеличением температуры давление насыщенного пара растет более резко, увеличивается масса пара. Давление насыщенного пара увеличивается как за счет концентрации молекул, так и за счет увеличения их кинетической энергии.
Зависимость температуры кипения от давления.
При уменьшении внешнего давления температура кипения жидкости понижается, а при повышении- повышается. Это был установлено опытным путем.
Критическая температура.
3.Электродинамика.
3.1.Элекростатика.
Электрический заряд- количественная мера способности тел к электромагнитным взаимодействиям. Существует два вида зарядов: положительный и отрицательный, их суммы равны Þтела нейтральны. Положительные (отрицательные) ионы- атомы с недостающими (избыточными) электронами. Величина заряда- избыток зарядов какого-либо типа; она всегда кратна заряду электрона.
Элементарный электрический заряд.
Элементарный заряд- заряженная частица, имеющая самый маленький заряд, далее неделимый. Опытным путем было установлено, что в природе не может существовать заряда, меньшего e=-1,6 10-19Кл.Кулон- единица измерения электрического заряда в системе «СИ». Такую частицу назвали электрон. me=9,1 10-31кг.
Проводники и диэлектрики.
Проводники- вещества, в которых электрические заряды могут свободно перемещаться. К ним относятся все металлы, уголь, растворы солей, кислот и щелочей. Непроводники (изоляторы или диэлектрики)- вещества, в которых электрические заряды не могут свободно перемещаться. К ним относятся стекло, фарфор, смола, вода, масла и т. д. Полупроводники- тела, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.
Закон сохранения электрического заряда.
Если какая-то изолированная система (система, из которой не выходят и в которую не входят заряды) обладает определенным зарядом, то его величина остается неизменной.
Взаимодействие электрически заряженных тел.
На основе опытов было выяснено, что одноименные электрические заряды взаимно отталкиваются, а разноименные — взаимно притягиваются.Созданы две теории: дальнодействия (моментальное изменение силы при перемещении заряда) и близкодействия (изменение силы за время t=s/c).
Электроскоп.
Электроскоп- прибор для обнаружения наэлектризованности тела. Его действие основано на законе взаимодействия зарядов. Простейший электроскоп состоит из стеклянной банки, закрытой эбонитовой или резиновой пробкой, сквозь которую проходит металлический стержень с шариком на верхнем конце и листочками алюминия. Если листочки взаимно отталкиваются, то тело заряжено. Угол, на который произошло отклонение, показывает величину заряда.
Точечный заряд.
Точечный заряд- заряженная материальная точка.
Закон Кулона.
Электрическое поле- особый вид материи, в которой проявляется действие электрических сил. Оно обладает свойством действовать на внесенный в него электрический заряд. Вне проводника с током электрического поля нет.Однородное электрическое поле- поле, напряженность которого во всех точках одинакова. Силовые линии в таком поле параллельны и плотность их везде одинакова.
Напряженность электрического поля.
Напряженность- векторная физическая величина, равная отношению силы, с которой электрическое поле действует на пробный заряд к величине этого заряда. Напряженность численно равна силе, действующей на единичный пробный заряд. Пробный заряд всегда положителен, всегда точечный (чтобы не искажать поле основного заряда).E=F/q, E=[H/Kл].
Линии напряженности электрического поля (силовые линии).
Под действием сил электрического поля любой заряд, внесенный в поле будет перемещаться по некоторой линии. Такие линии называются электрическими силовыми линиями. За направление силовой линии принято такое направление, по которому стал бы двигаться положительный заряд, внесенный в поле. Электрические силовые линии начинаются у положительного заряда и заканчиваются у отрицательного или же могут уходить в бесконечность. Электрические силы разрывны. Две силовые линии поля никогда не пересекаются.
Однородное электрическое поле.
Если взять две равные параллельные металлические пластины и зарядить их равными, но противоположными по знаку зарядами, то они создадут простейший вид электрического поля, называемого однородным электрическим. Однородное электрическое поле- электрическое поле, напряженность которого во всех точках пространства имеет одну и ту же величину и направление. В однородном поле силовые линии параллельны между собой и перпендикулярны к пластинам, а густота линий всюду одинакова.
Напряженность электростатического поля точечного заряда.
Любой неподвижный заряд окружен электростатическим полем. Оно обладает свойством действовать на вносимый в это поле другой электрический заряд. Для того, чтобы найти напряженность электростатического поля точечного заряда, надо внести в это поле пробный заряд. F=kq1q2/r2,разделим обе части наq1, тогда E=kq2/r2=q/4peer2.
Принцип суперпозиции полей.
В любой точке системы, содержащей несколько зарядов, напряженность равна сумме напряженностей полей, созданных каждым зарядом системы.
Работа сил электрического поля не зависит от пути. Она определяется только его начальным и конечным положениями. Работа сил электрического поля при движении заряда по замкнутому контуру равна нулю. Потенциальные поля- поля, в которых работа сил не зависит от формы пути. A=EP1-EP2.
Потенциал и разность потенциалов.
Потенциальная энергия зарядаqчисленно равна той работе, которую могут совершить силы поля, перемещая заряд qиз данной точки поля в бесконечность. Потенциал- энергетическая характеристика точек электрического поля. Потенциал какой-либо точки электрического поля измеряется потенциальной энергией точечного заряда, находящегося в этой точке.j=EP/q.j=q/4per.Разность потенциалов между двумя точками электрического поля измеряется работой, совершаемой полем при перемещении точечного заряда из одной точки поля в другую и называется напряжением. Вольт- такая разность потенциалов между двумя точками электрического поля, при которой силы поля, перемещая заряд в 1 Кл из одной точки в другую, совершают работу в один Джоуль. [В]=[Дж/Кл].
Потенциал поля точечного заряда.
A=Fs. A=EK(СР)(r2-r1)=q(r2-r1)/r1r2=q(1/r1-1/r2)=jA-jB. Устремим точку В в бесконечность, тогда jA=q(1/r1-1/r2).
Связь разности потенциалов с напряженностью электростатического поля.
А=Fd=Eqd=Uq ÞE=U/d=(j1-j2)/d. Напряженность электрического поля численно равна изменению потенциала на единицу длины силовой линии.
Эквипотенциальные поверхности.
Проводниками в электрическом поле могут являться только вещества, имеющие много свободных электронов. К ним относятся металлы, растворы солей и др. Вещества, в которых нет (или очень мало) свободных электронов, называются диэлектриками (или изоляторами). К ним относятся вода, смола и др. Существуют вещества, которые не принадлежат ни к проводникам, ни к изоляторам, они называются полупроводниками.
Диэлектрическая проницаемость вещества.
Абсолютная диэлектрическая проницаемость среды(eа)- величина, позволяющая учесть влияние изолирующей среды на силу взаимодействия наэлектризованных тел. F=q1q2/eaR2. eа=ee. e— электрическая постоянная.e— диэлектрическая проницаемость среды. Она показывает во сколько раз сила взаимодействия между электрическими зарядами в данной среде меньше, чем в вакууме. Для вакуума e=1. F=q1q2/4peeR2.
Электроемкость.
Электроемкость- коэффициент пропорциональности между зарядом уединенного проводника и его потенциалом (но не зависит от них). Она зависит только от формы, размеров и среды, в которую помещается проводник. За единицу емкости принимают емкость такого проводника, у которого потенциал возрастает на 1 Вольт при сообщении ему заряда в 1 Кулон, эту единицу называют Фарадом. [Ф]=[Кл/В]. 1 Фарад- емкость такого конденсатора, при сообщении которому заряда в 1 Кулон происходит возникновение разности потенциалов 1 Вольт.
C=q/j ü
j=q/4peR ýÞC=4peR
j=q/C þ
Конденсаторы.
Конденсаторы- устройства, предназначенные для накопления зарядов.Образующие конденсатор проводники называют его обкладками. Емкость конденсатора определяется как отношение заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками. C=Q/Dj=Q/U.
Поле плоского конденсатора.
Плоский конденсатор- конденсатор, имеющий две изолированные друг от друга пластины, разделенные слоем диэлектрика, причем геометрический размер пластин гораздо больше расстояния между ними. Поле между пластинами однородно, причем его напряженность не изменяется при изменении расстояния между пластинами (при условии, что расстояние между пластинами много меньше их размеров). E=-Dj/d.
Электроемкость плоского конденсатора.
Электроемкость конденсатора- физическая величина, определяемая отношением заряда конденсатора к разности потенциалов. С=eeS/d.
Последовательное и параллельное соединение конденсаторов.
При последовательном соединении конденсаторов Соб=Сi/n.При параллельном- Соб=nСi.
3.2.Постоянный ток.
Электрический ток- упорядоченное движение электрических зарядов. Возникает при действии на проводник электрической силой. Источники тока- устройства, которые создают электрическое поле внутри проводника и поддерживают его достаточно длительное время. Скорость тока (скорость распространения электрического поля) равна скорости света.
Сила тока.
Сила тока- количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника в единицу времени. I=q/t.Ток измеряется в Амперах. 1 Ампер- сила такого неизменного тока, который, проходя по двум бесконечно длинным, параллельным и прямолинейным проводникам ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в вакууме, вызывает между этими проводниками силу взаимодействия 2 10-7 Н на каждый метр.
Условия существования тока в цепи.
Электрический ток возникает только при наличии свободных электронов и некоторой разности потенциалов, заставляющей их двигаться. Заряды двигаются от большего потенциала к меньшему. Для поддержания тока надо наличие сторонних сил, которые бы перемещали заряды обратно, против электрических сил. Такими силами являются источники тока.
Электродвижущая сила (ЭДС).
ЭДС- физическая величина, равная отношению работы сторонних сил внутри источника к величине положительного заряда, переносимого внутри источника от отрицательного к положительному полюсу. ЭДС- разность потенциалов на концах источника при разомкнутой цепи. Последовательное соединение источников: E=nEi, параллельное соединение источников: E=Ei.
Напряжение.
Протекающий в проводнике ток прямо пропорционален приложенному напряжению и обратно пропорционален сопротивлению проводника. I=U/R.
Омическое сопротивление проводника.
Сопротивление- физическая величина, зависящая только от вещества и геометрических размеров проводника. R=rl/S, r=RS/l,где r— удельное сопротивление.1 Ом- сопротивление такого проводника, по которому течет ток в 1 Ампер, если на его концах поддерживается напряжение в 1 Вольт. [R]=[Ом]=[А/В].
Удельное сопротивление.
Удельное сопротивление (r)- физическая величина, численно равная сопротивлению проводника, длина которого 1 м, а площадь сечения 1 м2, при температуре t=20°C. R=rl/S. [r]=[Ом м].
Зависимость удельного сопротивления от температуры.
Опытным путем было установлено, что удельное сопротивление есть функция температуры. r=r(1+aDt), где r-удельное сопротивление приt=0°C. a-температурный коэффициент сопротивления, показывающий на сколько меняется удельное сопротивление проводника при его нагревании на1°C(или на 1 К).
Сверхпроводимость.
Сверхпроводимость- явление исчезновения сопротивления некоторых веществ (металлов, растворов солей) при понижении температуры почти до абсолютного нуля.
Последовательное и параллельное соединение проводников.
Последовательное: Iоб=I1=I2; Uоб=U1+U2;Rоб=R1+R2.
Сила тока в электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению данной цепи: I=Е/(R+r).
Источники тока, их соединение.
Источники тока- различные устройства, в которых могут возникать сторонние силы. Сторонние силы- силы, отличные от сил электростатического поля и способные перенести свободные электроны от меньшего потенциала к большему. Источники тока создают электрическое поле в проводнике и поддерживают его достаточно длительное время. Последовательное соединение источников: E=nE1. Параллельное соединение: E=E1=E2.
Измерение тока и разности потенциалов в цепи.
Термоэлектронная эмиссия.
Термоэлектронная эмиссия- явление испускания электронов накаленным металлом. Наиболее быстрые электроны обладают энергией, достаточной для совершения работы выхода, и поэтому могут покинуть металл. Чем сильнее нагрет металл, тем больше «горячих» электронов, которые способны его покинуть.
Электронная лампа- диод.
Диод- лампа, состоящая из анода и катода. Диод состоит из стеклянного или металлического баллона, из которого выкачан воздух. Внутри находится нить, накаливаемая током до температуры, при которой выделяются электроны. Нить окружена металлическим цилиндром, который присоединяется к положительному полюсу и называется анодом. Нить накала называется катодом. Потенциал на аноде должен быть больше, чем на катоде, чтобы ток через диод шел.
Полупроводники- вещества, которые нельзя отнести ни к проводникам, ни к диэлектрикам.
Собственная и примесная проводимость полупроводников.
Собственный полупроводник- беспримесный и бездефектный полупроводник с идеальной кристаллической решеткой. Собственная проводимость- проводимость собственного полупроводника, обусловленная парными носителями теплового происхождения. Примесная проводимость- проводимость, обусловленная наличием примесных атомов.
Зависимость проводимости полупроводников от температуры.
При температуре 0 К в собственном полупроводнике нет свободных электронов, и он является идеальным диэлектриком. По мере нагрева он приобретает дополнительную энергию, которая вызывает колебательное движение узловых атомов решетки.
продолжение
--PAGE_BREAK--p-nпереход и его свойства.
p-nпереход- область объемных зарядов, прилегающая к поверхности контакта pи nслоев.контакт двух полупроводников с разным типом проводимости. Комбинация двух типов проводниковых слоев обладает свойством пропускать ток в одном направлении лучше, чем в другом (прямой и обратный ток, прямое и обратное напряжение).
Полупроводниковый диод.
Полупроводниковый диод- прибор, в котором используется один p-nпереход. Бывает точечным и плоскостным. Диод- представитель нелинейных проводников.
Транзистор.
Транзистор- полупроводниковый прибор, в котором использовано два p-nперехода. Бывает точечным и плоскостным. Их можно использовать для усиления электрических сигналов.
Термистор и фоторезистор.
В обычном состоянии газы не проводят электрический ток, так как в газе нет свободных заряженных частиц. Чтобы газ стал проводящим, в нем создают заряженные частицы. Заряд ионов газа бывает маленьким, а масса- большая, Þзаконы Фарадея не выполняются, закон Ома не выполняется при протекании тока по газу.
Самостоятельный и несамостоятельный разряды.
Если постепенно увеличивать напряжение на электродах, то сила тока вначале растет до определенного момента, а затем ток остается постоянным. Такой ток называется током насыщения. На этом участке существует несамостоятельный разряд (так как при отключении ионизатора ток прекращается). Но начиная с некоторого напряжения сила тока снова начинает расти, в газе появляются сильно выраженные световые и тепловые эффекты. Ионы создаются самим разрядом, который уже будет самостоятельным.
Понятие о плазме.
3.3.Магнетим.
Магнитное поле- неразрывно связанная с током материальная среда, через которую осуществляется взаимодействие на расстоянии проводников с током. Магнитное поле обладает энергией, которая непрерывно распределена в пространстве. Магнитное поле создается либо движущимися электрическими зарядами, либо переменным электрическим полем и действует только на движущиеся заряды. Магнитные поля токов одинакового направления усиливают друг друга, а токов противоположного направления ослабляют друг друга.
Действие магнитного поля на рамку с током.
Магнитное поле оказывает ориентирующее действие на рамку с током. В качестве направления мы выбираем направление нормали рамки с током, свободно установленной в поле. Направление вектора В определяется правилом правого винта.
Индукция магнитного поля (магнитная индукция).
Магнитная индукция- вектор, величина его равна отношению силы F, приходящейся на единичный элемент тока (силовая характеристика поля в данной его точке). Она не зависит от вносимого в данную точку поля элемента тока. B=F/I2Dl.1 Тесла- такая магнитная индукция, которая возникает при действии на единичный элемент тока силой в 1 Ньютон. Направление магнитной индукции совпадает по направлению с силой, действующий на проводник.
Линии магнитной индукции.
Линия магнитной индукции- такая линия, касательная в каждой точке к которой совпадает по направлению с вектором магнитной индукции в данной точке. Линии магнитной индукции не имеют начала и конца. 1 Тесла- индукция магнитного поля, которая действует на отрезок проводника длиной 1 м при силе тока в 1 А силой, равной 1 Н.
Картины магнитного поля прямого тока и соленоида.
На проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует магнитная сила F.Направление этой силы можно определить по правилу левой руки. F- большой палец, I- другие пальцы, B— входит в ладонь. Сила Ампера- сила, действующая на прямолинейный проводник с током в магнитном поле. Эта сила прямо пропорциональна длине проводника, величине тока в нем и зависит от синуса угла между направлениями тока и магнитных силовых линий.F=IBlsina— закон Ампера. При этом происходит превращение электрической энергии в механическую.
Закон Ампера.
Гипотеза Ампера.
Элементарный магнит- круговой ток, циркулирующий внутри небольшой частицы вещества: атома, молекулы или их группы.
Ферромагнетики.
3.4.Электромагнитная индукция.
Магнитный поток- величина, характеризующая число силовых линий, проходящих через некоторую площадь. Ф=BScosa,где a— угол между направлениями вектора магнитной индукции и нормалью к площадке. Он измеряется в Веберах. 1 Вебер (вб)- поток, пронизывающий площадку в 1 м2, расположенную перпендикулярно однородному полю с индукцией в 1 Тесла.
Опыты Фарадея.
Электромагнитная индукция- явление возникновения в замкнутом проводнике электрического тока, обусловленного изменением магнитного поля. Явление электромагнитной индукции состоит в появлении ЭДС в контуре при изменении:1)магнитного потока через площадку, ограниченную контуром; 2)площади замкнутого контура, находящимся в магнитном поле; 3)угла наклона плоскости контура к нормали.
Явление электромагнитной индукции.
Электромагнитная индукция- явление возникновения в замкнутом проводнике электрического тока, обусловленного изменением магнитного поля. Создаваемый при этом источник тока стали называть ЭДС индукции, а возникающий ток- индукционным. Направление тока можно определить по правилу правой руки: В- входит в ладонь, u(направление движения проводника)- большой палец, I— другие пальцы.
Вихревое электрическое поле.
Любое изменение магнитного поля вызывает появление индукционного электрического поля в окружающем пространстве. Это поле вихревое, то есть линии этого поля замкнуты. Направление вихревых токов таково, что создаваемое ими магнитное поле противодействует движению проводника.
Закон электромагнитной индукции.
Индукционный ток создает собственное магнитное поле. Поле, вызвавшее появление тока, и поле, появившееся, взаимодействуют между собой.
Правило Ленца.
При замыкании цепи: самоиндукция- явление, при котором переменное магнитное поле, созданное током в какой-либо цепи, возбуждает ЭДС индукции в той же самой цепи. Ток направлен противоположно первичному току. При размыкании цепи: запасенная в магнитном поле этой цепи энергия превращается в энергию самоиндукции. Ток направлен одинаково с первичным током.
Индуктивность.
L-коэффициент, зависящий только от свойств контура.Ф=LI. Индуктивность контура численно равна потоку напряженности магнитного поля, пронизывающему этот контур и созданному током силой в 1 А, протекающим по этому контуру. Единица индуктивности- Генри. [Гн]=[Вб А]. 1 Генри- такая индуктивность контура, при которой при силе тока в нем в 1 Ампер возникает магнитный поток в 1 Вебер.
ЭДС самоиндукции.
3.5.Электромагнитные колебания и волны.
Переменный электрический ток- ток, величина и направление которого меняются с течением времени с различной частотой. Он являет собой вынужденные незатухающие колебания. Ei=-Ф¢=-(BScoswt)¢=BSsinwt=E0sinwt.Число витков может увеличить Е0=NBSsinwt.Ток будет изменяться по закону: I=I0sin(wt+j).
Амплитудное и действующее (эффективное) значение периодически изменяющегося напряжения и силы тока.
Трансформатор.
Трансформатор- прибор, который позволяет осуществить преобразование переменный ток, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности. Он имеет две обмотки (первичную и вторичную), надетые на стальной сердечник. N1— число витков в первичной обмотке, N2— во вторичной.N1/N2=U1/U2=K. K— коэффициент трансформации. При K>1- понижающий трансформатор, приK
Передача электрической энергии.
Свободные электромагнитные колебания- периодически повторяющиеся изменения силы тока в электрической цепи, сопровождающиеся периодическими превращениями энергии электрического поля в энергию магнитного поля (или обратно), происходящие без потребления энергии от внешних источников. Простейшая система- колебательный контур (последовательно соединенные конденсатор и катушка).
Превращение энергии в колебательном контуре.
t=0: зарядка конденсатора от батареи, вся энергия в конденсаторе; E=qm2/2c.
t=T/8: возникновение тока I, энергия распределена по контуру.
t=T/4: конденсатор разрядился, вся энергия в катушке, Iдостигает мах.
t=3T/8: конденсатор начинает перезаряжаться, энергия распределена.
t=T/2: конденсатор полностью перезарядился, энергия распределена, I=0.
Уравнение, описывающее процессы в колебательном контуре, и его решение.
В колебательном контуре роль ЭДС играет ЭДС самоиндукции. I(R+r)+UC=EL=-LI¢=-LDI/Dt; R+r®0 ÞI(R+r)®0; -LI¢=UC=q/C; I¢=q/LC. Пусть 1/LC=w2, тогда q¢¢=-w2q-это основное уравнение собственных электромагнитных колебаний. Его решением является уравнение вида q=q0cos(wt+j).
Формула Томсона для периода колебаний.
T=2pÖLC¢-формула Томсона. В колебательном контуре роль ЭДС играет ЭДС самоиндукции. I(R+r)+UC=EL=-LI¢=-LDI/Dt; (R+r)®0 ÞI(R+r)®0; -LI¢=UC=q/C; I¢=q/LC. Пусть 1/LC=w2; T=2p/w=2pÖLC¢.
Затухающие электромагнитные колебания.
4.Оптика.
4.1.Геометрическая оптика.
Преломление света- явление изменения направления распространения света при переходе света через границу двух сред, если вторая среда прозрачна. Закон отражения: луч падающий и луч отраженный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точке падения луча. sina/sing=n2-1.
Абсолютный и относительный показатели преломления.
n2-1 — относительный показатель преломления второй среды относительно первой. Относительный показатель преломления любой среды- отношение абсолютных показателей двух сред.n2-1=n2/n1. Абсолютный показатель преломления- отношение скорости света в вакууме к скорости света в данной среде. nаб=c/uср. n1=c/u1, n2=c/u2.Þn2-1=n2/n1=cu1/cu2=u1/u2.Чем больше показатель преломления, тем угол отражения будет меньше, а преломленный луч будет ближе к перпендикуляру.
Ход лучей в призме.
Преломляющие грани- грани, через которые проходит луч, преломляющий угол- угол преломления, угол отклонения- угол между падающим и отраженным лучами. Разобрать на примерах.
Явление полного (внутреннего) отражения.
Линза- прозрачное тело, ограниченное криволинейными поверхностями. Тонкая линза- линза, толщина которой значительно меньше радиусов поверхностей, из которых линза образована. Оптический центр линзы (О)- вершина сферических сегментов. Главная оптическая ось линзы- центр симметрии. Побочная оптическая ось- любая другая прямая, проходящая через оптический центр линзы. Фокус линзы (всегда два)- тачка пересечения преломленных лучей, идущих параллельно главной оптической оси.
Фокусное расстояние и оптическая сила линзы.
Фокусное расстояние (F)- расстояние от центра линзы до фокуса. D=1/F— оптическая сила линзы.
Построение изображения в собирающих и рассеивающих линзах.
Собирающая линза- линза, обладающая свойством собирать в одну точку лучи, исходящие из какой-либо точки, после прохождения их через линзу, независимо от того, через какую часть линзы эти лучи прошли. Рассеивающая линза- линза, обладающая свойством рассеивать лучи света после прохождения ими линзы. Построение изображения:
1)Луч, падающий на линзу параллельно главной оптической оси, после преломления идет через фокус линзы.
2)Луч, исходящий из фокуса, преломляется линзой в направлении, параллельном главной оптической оси.
3)Луч, прошедший через центр линзы, не преломляется.
4)Параллельный пучок лучей линза сводит в точку, расположенную в фокальной плоскости.
Формула линзы.
d- расстояние от предмета до линзы, f- расстояние от линзы до изображения.(d-F)/F=F/(f-F) Þ1/F=1/d+1/f.Вывод из подобия треугольников.
4.2.Элементы физической оптики.
Свет- сферическая волна, распространяющаяся во всех направлениях от источника света. Она подвержена интерференции, дифракции.
Поляризация света.
Поляризация света- выделение из неполяризованного (естественного) света плоско поляризованного. Поляризация осуществляется с помощью специальных приборов, основанных на поляризации света при отражении и преломлении на границе раздела двух прозрачных диэлектриков.
Электромагнитная природа света.
Дисперсия света.
Дисперсия- зависимость абсолютного преломления вещества от частоты света. Вследствие дисперсии света узкий пучок белого света, проходя сквозь призму из стекла или другого прозрачного вещества, образует на экране, установленном за призмой, радужную полоску, называемую дисперсионным спектром.
Спектроскоп.
Спектроскоп- прибор для наблюдения и исследования спектров. Он состоит из двух труб с собирательными линзами и трехгранной призмы. В фокусе одной линзы находится узкая щель. После прохождения линзы свет идет параллельным пучком. В призме свет разлагается на цветные лучи. После второй линзы свет попадает в третью и дает спектры.
Инфракрасное и ультразвуковое излучения.
Свет, как любые другие колебания, может интерферировать. Но интерферировать могут только те световые волны, которые были получены путем разделения излучения от одного источника на два разных направления, которые потом соединяются в какой-то области пространства. Свет испускается только возбужденными атомами. Время испускания t=10-8с. Период колебаний испускаемых им волн Т=10-15с. За это время они успевают испустить N=107 длин волн.
Когерентные источники.
Когерентные источники- источники колебаний, происходящих в одной фазе с одинаковой частотой. Два различных источника не могут быть когерентными.
Условия образования максимумов и минимумов в интерференционной картине.
Дифракция- интерференция вторичных волн. Френель первым открыл это явление, проведя опыт: в центре тени от шара получено светлое пятно. Световые волны, огибая края шара, заходят в область тени и, достигая центра тени на экране, проходят одинаковые расстояния независимо от какой точки на краю шара они идут. В этом случае они достигают центра тени в одинаковой фазе и в результате интерференции усиливают друг друга, поэтому и получается светлое пятно. В остальных частях тени происходит поочередное наложение волн в противоположных и одинаковых фазах и мы видим концентрические темные и светлые пятна.
Опыт Юнга.
На экране кончиком булавки прокалывались два близко расположенных отверстия, которые освещались солнечным светом из небольшого просвета в зашторенном окне. За экраном вместо ожидаемых двух ярких точек появлялась серия чередующихся темных и светлых колец. Юнг назвал это явление общим законом интерференции.
Принцип Гюйгенса- Френеля.
Вторичные волны, исходящие из любой точки фронта волны, обязательно интерферируют (следствие из опыта прохождения света в маленькую щель).
Дифракционная решетка.
Правило Планка установило зависимость между порцией энергии, которую называют квантом, и частотой излучения. Опытным путем было установлено, что h=6,63 10-34 Дж с.
Фотоэффект.
Фотоэффект- явление вырывания электронов из вещества под действием света. Фототок- ток, возникший под действием света. В отсутствии напряжения (U=0)IФ¹0.Фототок возрастает только до определенного значения (его мах.)- фототока насыщения. IФ=0 при задерживающем напряжении UЗ=mu2/2.
Законы фотоэффекта.
1)При фиксированной частоте падающего света число фотоэлектронов, вырывающихся из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности падающего света. Iнас.=¦(I),где I— интенсивность.
2)Максимальное значение скорости фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а определяется только его частотой. Чем больше частота, тем больше скорость.
3)Для каждого вещества существует «красная» граница фотоэффекта, то есть наименьшей частотой света (или наибольшей длиной волны), при которой еще возможен внешний фотоэффект.
Фотон.
Фотон- порция энергии света. Он движется со скоростью света в вакууме и имеет нулевую массу покоя. Энергия фотона Е=hn, где h— постоянная Планка, h=6,63 10-34 Дж с,а его импульсp=hn/c.Свет имеет прерывистую структуру и может поглощаться любым веществом строго определенными порциями- фотонами. Один фотон выбивает только один электрон.
Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.
продолжение
--PAGE_BREAK--