Физика (лучшее)

атомов, связанных с ним, равно его валентности. Атомными кристаллами

являются алмаз, кремний, германий и т.д. В перечисленных кристаллах каждый

атом, например кремний, окружен четырьмя такими же атомами, поскольку его

валентность равна четырём. Атомы образуют кристаллическую структуру, в

которой один атом расположен в центре тетраэдра, а четыре - в его вершинах.

При этом ковалентная связь образуется между центральным атомом и атомами в

вершинах тетраэдра.

3. Металлические кристаллы. Во всех узлах кристаллической решётки

расположены положительные ноны. Это объясняется тем, что при образовании

кристаллической решётки валентные электроны, наиболее слабосвязанные с

атомами, отрываются от атомов и коллективизируются, т.е. они уже

принадлежат не одному атому, а всему кристаллу в целом. Поэтому в металлах

между положительными нонами хаотически движутся электроны, взаимодействие

которых с положительными нонами металла и приводит к возникновению сил

притяжения, компенсирующих силы отталкивания ионов и образованию кристалла.

4. Молекулярные кристаллы. В узлах кристаллической решётки располагаются

молекулы, ориентированные определённым образом. Силы, образующие кристалл,

имеют электростатическое происхождение. Следует отметить, что многие

свойства тел, такие как трение, прилипание, сцепление, поверхностное

натяжение, вязкость и т.д. являются проявлением электростатических 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 различных сооружений, в том числе и

строительных, необходимо знать механические свойства используемых

материалов: бетона, железобетона, стали, пластмасс и т.д. Поэтому

рассмотрим лишь механические свойства твёрдых тел.

1. Основные понятии. деформацией называется изменение формы и размеров

тела под действием приложенных сил. Различают два вида деформации — упругую

и пластическую. Упругой называют деформацию, которая исчезает после

прекращения действия приложенных сил. Если же после снятия сил тело не

возвращается в исходное состояние, то такая деформация называется

пластической (неупругой). Вид деформации зависит от материала тела и от

величины приложенного усилия. Механическим усилием (усилием) р называют

внешнюю силу, отнесённую к единице площади, т.е.

[pic]

где F — сила, действующая на площадку S. При деформации в теле возникают

cилы, противодействующие внешним силам. Их называют упругими. Упругая сила,

отнесённая к единице площади, называется механическим напряжением

(напряжением)

[pic]

где Fупр сила, действующая на площадку S.

Деформацию тел оценивают абсолютной и относительной деформацией.

Абсолютной деформацией (Х называют разность конечного Х и начального

Х0 размера тела, т.е.

[pic]

Абсолютная деформация при растяжении положительная, а при сжатии —

отрицательная. Относительной деформацией ( называется отношение абсолютной

деформации к первоначальному размеру тела, т.е.

[pic]

Относительная деформация показывает, на какую часть изменились

первоначальные размеры тела. Существуют различные виды деформации:

продольное растяжение (или сжатие), сдвиг, кручение, изгиб. Рассмотрим

некоторые из них.

2. Продольное растяжение (или сжатие). Простейшим видом деформации

твёрдого тела является продольное растяжение (сжатие). Оно возникает в

тонком стержне, один конец которого закреплён, а к другому вдоль его оси

приложена сила Г, равномерно распределённая по поперечному сечению стержня

В результате этого длина стержня изменяется от [pic] до [pic] Гук показал,

что при упругой деформации удлинение(сокращение) [pic]стержня

пропорционально приложенной силе

[pic]

где k - коэффициент пропорциональности. Это соотношение называют законом

Гука. Однако удлинение (сжатие) тела зависит не только от приложенной силы,

но и от его геометрической 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 записать математически следующим образом:

[pic]

где l0 и S - длина и площадь поперечного сечения стержня, (l - изменение

длины стержня под действием силы F, Е — модуль Юнга. Но, усилие,

действующее на стержень, равно F/S = р, так как сила равномерно

распределена по сечению, и (l/I0 = ( — относительное удлинение (сжатие)

стержня Тогда соотношение запишется в виде [pic]

т.е. в пределах упругости относительная деформация пропорциональна усилию,

приложенному к телу.

Усилие, приложенное к телу, одинаково в любом поперечном сечении стержня.

Оно вызывает появление внутри стержня напряжении, которые также будут

одинаковы по всей его длине и равны усилию по модулю, но противоположны по

направлению, т.е. [pic]. С учётом этого выражение запишется:

[pic]

Таким образом, напряжение упруго-деформированного тела пропорционально его

относительной деформации.

Модуль Юнга является важной характеристикой материала, из которого

изготовлено тело, независимо от его формы и размеров. Он измеряется в

паскалях (Па). Выясним физический смысл модуля Юнга. Из (42.7) следует, что

если е = 1 (когда Al = ‘о), то Е = р, т.е. модуль Юнга равен усилию,

которое надо приложить к телу, чтобы изменить его длину вдвое при

сохранении упругой деформации. В действительности же подавляюще число

материалов разрушается значительно раньше, чем это произойдёт.

Следовательно, величина Е вычисляется, а не измеряется непосредственно.

Наиболее удобным способом исследования механических свойств твёрдого тела

является его испытание на растяжение и построение диаграмм растяжения, т.е.

зависимости между относительным удлинением ( и усилием p.

Билет № 26

1. Радиоактивность. Процесс самопроизвольного распада атомных ядер

называют радиоактивностью. Радиоактивный распад ядер сопровождается

превращением одних нестабильных ядер в другие и испусканием различных

частиц. Было установлено, что эти превращения ядер не зависят от внешних

условий: освещения, давления, температуры и т.д. Существует два вида

радиоактивности: естественная и искусственная. Естественная радиоактивность

наблюдается у химических элементов находящихся в природе. Как правило, она

имеет место у тяжёлых ядер, располагающихся в конце таблицы Менделеева, за

свинцом. Однако имеются и лёгкие естественно-радиоактивные ядра: изотоп

калия [pic], изотоп углерода [pic] и другие. Искусственная радиоактивность

наблюдается у ядер, полученных в лаборатории с помощью ядерных реакций.

Однако принципиального различия между ними нет.

Известно, что естественная радиоактивность тяжёлых ядер сопровождается

излучением, состоящим из трёх видов: (-, (-, (-лучи. (-лучи - это поток

ядер гелия [pic] обладающих большой энергией, которые имеют дискретные

значения. (-лучи - поток электронов, энергии которых принимают

всевозможные значения от величины, близкой к нулю до 1,3 МэВ. (-лучи —

электромагнитные волны с очень малой длиной волны.

Радиоактивность широко используется в научных исследованиях и технике.

Разработан метод контроля качества изделий или материалов – дефектоскопия.

Гамма-дефектоскопия позволяет установить глубину залегания и правильность

расположения арматуры в железобетоне, выявить раковины, пустоты или участки

бетона неравномерной плотности, случаи неплотного контакта бетона с

арматурой. Просвечивание сварных швов позволяет выявить различные дефекты.

Просвечиванием образцов известной толщины 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 качества работ. По степени

поглощения (-лучей высокой энергии можно судить о влажности материалов.

Построены радиоактивные приборы для измерения состава газа, причём

источником излучения в них является очень небольшое количество изотопа,

дающего (-лучи. Радиоактивный сигнализатор позволяет определить наличие

небольших примесей газов, образующихся при горении любых материалов. Он

подаёт сигнал тревоги при возникновении пожара в помещении.

2. Методы регистрации заряженных частиц. В настоящее время хорошо

установлено, что ядро атома имеет сложную структуру и состоит из протонов и

нейтронов. Из рассмотрения явления радиоактивности следует, что ядра могут

претерпевать существенные изменения. Всё это наводит на мысль, 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 элементарными частицами), из

которых построено всё? Ответ оказался очень сложным, и сейчас ещё на него

нет окончательного ответа. В настоящее время физикам известны сотни

элементарных (или, как говорят, субъядерных) частиц. Изучением их

занимаются учёные, работающие в области физики элементарных частиц. Каким

же образом можно “увидеть’, зарегистрировать столь малые объекты, которые

недоступны никакому микроскопу? для этого разработан целый ряд хитроумных,

весьма тонких способов, которые позволяют не только их зарегистрировать,

распознать, но и увидеть их взаимные превращения.

Рассмотрим только некоторые наиболее важные и широко используемые методы

регистрации излучений. Элементарные частицы удаётся наблюдать благодаря тем

следам, которые они оставляют при своем прохождении через вещество. Это

связано с тем, что заряженные частицы вызывают ионизацию молекул на своём

пути. нейтральные частицы, такие как нейтроны, следов не оставляют, но они

могут обнаружить себя в момента спада на заряженные частицы или в момент

столкновения 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 них ионизирующего излучения. Эту

вспышку можно зарегистрировать как просто глазом, так и соответствующим

прибором, преобразующим световой сигнал в электрический.

2. Счётчик Гейгера. Это устройство представляет собой стеклянную трубку,

наполненную газом, в которую введены два электрода. Одни является

цилиндрической поверхностью, другой тонкой проволокой, проходящей с одного

торца к другому, по оси цилиндра. К электродам подводится напряжение. При

пролёте через такую трубку заряженной Частицы, молекулы газа ионизируются,

образовавшиеся ионы разгоняются электрическим полем и в свою очередь

ионизируют другие молекулы, в результате чего образуется лавина 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. Счётчик

Гейгера играет весьт’4а большую роль при изучении радиоактивности,

радиоактивного заражения, при измерении доз, полученных в заражённых зонах.

3. Метод толстослойных фотопластин Заряженные частицы, проходя через

фотоэмульсию, вызывают такое же действие, как свет. Поэтому после

проявления фотоматериала в эмульсии проявляется видимый след, который можно

легко увидеть в микроскоп.

4. Камера Вильсона. Принцип действия камеры основан на явлении

конденсации пересыщенного пара при пролёте через него заряженной частицы.

дорожку из капелек жидкости можно сфотографировать С нескольких точек и

получить данные о пространственном расположении траектории полёта частицы.

Если камеру поместить между полюсами электромагнита, то в результате

взаимодействия частицы с полем траектории частицы будет искривляться и по

этому искривлению можно определить знак заряда частицы и её импульс.

Биологическое действие радиоактивных излучении Излучения радиоактивных

веществ оказывают очень сильное воздействие на все живые организмы. Даже

сравнительно слабое излучение, которое при полном поглощении повышает

температуру тела лишь на 0,00 1 °С, нарушает жизнедеятельность клеток.

Живая клетка — это сложный механизм, не способный продолжать нормальную

деятельность даже при малых повреждениях отдельных его участков. Между тем

даже слабые излучения способны нанести клеткам существенные повреждения и

вызвать опасные заболевания (лучевая болезнь). При большой интенсивности

излучения живые организмы погибают. Опасность излучений усугубляется тем,

что они не вызывают никаких болевых ощущений даже при смертельных дозах.

Механизм поражающего биологические объекты действия излучения еще

недостаточно изучен. Но ясно, что оно сводится к ионизации атомов и молекул

и это приводит к изменению их химической активности. Наиболее чувствительны

к излучениям ядра клеток, особенно клеток, которые быстро делятся. Поэтому

в первую очередь излучения поражают костный мозг, из-за чего нарушается

процесс образования крови. Далее наступает поражение клеток

пищеварительного тракта и других органов.

Сильное влияние оказывает облучение на наследственность. В большинстве

случаев это влияние является неблагоприятным.

Облучение живых организмов может оказывать и определенную пользу. Быстро

размножающиеся клетки в злокачественных (раковых) опухолях более

чувствительны к облучению, чем нормальные. На этом основано подавление

раковой опухоли (-лучами радиоактивных препаратов, которые для этой цели

более эффективны, чем рентгеновские лучи.

Доза излучения. Воздействие излучений на живые организмы характеризуется

дозой излучения. Поглощенной дозой излучения D называется отношение

поглощенной энергии Е ионизирующего излучения к массе гп облучаемого

вещества:

[pic]

В СИ поглощенную дозу излучения выражают в г р э я х (сокращенно: Гр). Гр

равен поглощенной дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1

кг передается энергия ионизирующего излучения 1 Дж:

[pic]

Естественный фон радиации (космические лучи; радиоактивность окружающей

среды и человеческого тела) составляет за год дозу излучения около [pic]Гр

на человека. Международная комиссия по радиационной защите установила для

лиц, работающих с излучением, предельно допустимую за год дозу 0,05 Гр.

Доза излучения в 3 – 10 Гр, полученная за короткое время, смертельна.

Защита организмов от излучения. При работе с любым источником радиации

(радиоактивные изотопы, реакторы и др.) необходимо принимать меры по

радиационной защите всех людей, могущих попасть в зону действия излучения.

Самый простой метод защиты это удаление персонала от источника излучения

на достаточно большое расстояние. Даже без учета поглощения в воздухе

интенсивность радиации убывает о пропорционально квадрату расстояния от

источника. Поэтому ампулы с радиоактивными препаратами не следует брать

руками. Надо пользоваться специальными щипцами с длинной ручкой.

В тех случаях, когда удаление от источника излучения на достаточно большое

расстояние невозможно, используют для защиты от излучения преграды из

поглощающих материалов.

Наиболее сложна защита от (-лучей и нейтронов из-за их большой проникающей

способности. Лучшим поглотителем (-лучей является свинец. Медленные

нейтроны хорошо поглощаются бором и кадмием. Быстрые нейтроны

предварительно замедляются с помощью графита.

Билет № 11

1.Работа в термодинамике. Пусть газ находится в цилиндрическом сосуде с

площадью поперечного сечения S, закрытом подвижным поршнем. Нагреем газ, в

результате чего его объем увеличивается. Найдем работу, совершаемую газом

при его расширении. Она равна работе, которую совершает сила, действующая

на поршень, при его перемещении. При движении поршня в общем случае

давление газа и сила F, приложенная к поршню, изменяются. Поэтому

рассмотрим случай расширения газа, когда его давление остаётся постоянным.

Предположим, что поршень переместился на расстояние l. Механическая работа

А находится по формуле [pic]так как угол [pic] между силой и перемещением

равен нулю и cos( = 1. Модуль силы F находим через давление Р, которое

оказывает газ на поршень: [pic]. С учётом этого получаем А = PSl. Но (V= Sl

— изменение объёма газа. Итак,

[pic]

2. Внутренняя энергия. Одним из важнейших понятий термодинамики является

внутренняя энергия. Внутренней энергией термодинамической системы называют

сумму кинетической и потенциальной энергии всех частиц, входящих в неё.

Следовательно, внутренняя энергия состоит из кинетической энергии молекул

(атомов) и потенциальной энергии электронов в молекулах (атомах) и из

внутриядерной энергии. Необходимо отметить, что термодинамика изучает лишь

такие переходы термодинамической системы из одного состояния в другое, при

которых изменяются только кинетическая и потенциальная энергия молекул (или

атомов), из которых она состоит. Внутренняя энергия однозначно определяется

параметрами состояния и не зависит от пути перехода в это состояние. Выбор

состояния системы, в котором внутренняя энергия принимается равной нулю,

произволен. Обычно считают, что внутренняя энергия равна нулю при

температуре 0 К.

2. В качестве примера найдём внутреннюю энергию идеального одноатомного

газа, т.е. газа состоящего из атомов. Такими газами являются гелий, неон,

аргон и другие. В идеальном газе притяжение между молекулами отсутствует.

Поэтому их потенциальная энергия равна нулю. Тогда внутренняя энергия этого

газа будет складываться только из кинетических энергий отдельных молекул.

Вычислим сначала внутреннюю энергию одного моля газа. Известно, что число

молекул, наход5пцвхся в одном моле вещества, равно числу Авогадро NA.

Согласно (24.1), средняя кинетическая энергия молекулы находится по формуле

= (3/2) kТ. Следовательно, внутренняя энергия U( одного моля

идеального газа равна

[pic]

так как[pic]— универсальная газовая постоянная. Внутренняя энергия U

произвольной массы газа m будет равна внутренней энергии одного моля,

умноженной на число молей[pic], где ( - молярная масса газа, т.е.

[pic]

Таким образом, внутренняя энергия данной массы идеального газа зависит

только от температуры и не зависит от объёма и давления.

3. Первый закон термодинамики. Внутренняя энергия термодинамической

системы под воздействием ряда внешних факторов меняется, о чём, как видно

из (27.2), можно судить по изменению температуры этой системы. Например,

когда быстро сжать газ, то его температура повышается. Если привести в

контакт два тела, имеющих разные температуры, то температура более

холодного тела повышается, а более нагретого понижается. В первом случае

внутренняя энергия изменяется за счёт работы внешних сил, во втором

происходит обмен кинетическими энергиями молекул, в результате чего

суммарная кинетическая энергия молекул нагретого тела уменьшается, а менее

нагретого - возрастает. Это приводит к передаче энергии от горячего тела к

холодному без совершения механической работы. Процесс передачи энергии от

одного тела к другому без совершения механической работы получило название

теплопередачи или теплообмен,. Передача энергии между телами, имеющими

разные температуры, характеризуется величиной, называемой количеством

теплоты или теплотой. Количество теплоты - это энергия, переданная путём

теплообмена от одной термодинамической системы к другой вследствие разности

температур этих систем.

Рассмотрение понятия внутренней энергии и количества теплоты используется

в формулировке первого закона термодинамики, играющего первостепенную роль

при изучении различного рода термодинамических процессов.

В природе существует закон сохранения и превращения энергии, согласно

которому энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь переходит из

одного вида в другой. Этот закон применительно к тепловым процессам получил

название первого закона термодинамики. Отметим, что тепловыми процессами

называют процессы, связанные с изменением температуры термодинамической

системы, а также с изменением агрегатного состояния вещества. Если

термодинамической системе сообщить некоторое количество теплоты Q, т.е.

некоторую энергию, то за счёт этой энергии в общем случае происходит

изменение её внутренней энергии (U и система, расширяясь, совершает

определённую механическую работу А. Очевидно, что, согласно закону

сохранения энергии, должно выполняться равенство:

[pic]

т.е. количество теплоты, сообщённое термодинамической системе, расходуется

на изменение её внутренней энергии и на совершение системой механической

работы при её расширении. Соотношение называют первым законом

термодинамики.

Первый закон термодинамики обладает большой общностью и универсальностью

и может применяться для описания широкого круга явлений.

Применение первого закона термодинамики к различным процессам.

1. Изохорический процесс. Поскольку при изохорическом процессе V =

const, то изменение объёма (V= 0, и работа газа [pic], т.е. при этом

процессе газ не совершает механической работы. Тогда первый закон

термодинамики запишется

[pic]

т.е. при изохорическом процессе количество теплоты, сообщённое газу,

полностью расходуется на изменение его внутренней энергии.

Количество теплоты, переданное или отданное термодинамической системе,

определяется через теплоёмкость системы. 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 равна

количеству теплоты, которое надо сообщить единице массы вещества для

повышения температуры один градус. Количество теплоты Q, которое необходимо

сообщить телу массой т для повышения его температуры от Т1 до Т2 находится

по формуле

Q=mс(Т2—Т1)

Тогда изменение внутренней энергии тела (термодинамической системы) (U,

учитывая , равно

[pic]

2. Изотермический процесс. Запишем первый закон термодинамики для

данного процесса. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от

температуры. При изотермическом процессе температура постоянна. Поэтому и

внутренняя энергия постоянна (U = const) и, следовательно (U = 0. Тогда

первый закон термодинамики принимает вид

[pic]

т.е. количество теплоты, сообщённое газу при изотермическом процессе.

полностью превращается в работу, совершаемую газом.

Выясним условия, необходимые для проведения такого процесса. При

изотермическом расширении к газу необходимо непрерывно подводить теплоту,

чтобы компенсировать уменьшение внутренней энергии, происходящее вследствие

совершения газом работы против внешних сил. И, наоборот, при изотермическом

сжатии надо непрерывно отбирать теплоту, чтобы внутренняя энергия, а

следовательно, и температура оставались постоянными. Из этого следует, что

изотермический процесс необходимо проводить очень медленно, так как в этом

случае температура газа будет успевать выравниваться с температурой

окружающей 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 окружающей средой, называется адиабатическим

(адиабатным). Для практического осуществления такого процесса газ помещают

в сосуд с теплоизоляционными стенками. Поскольку любой материал в той или

иной степени проводит теплоту, то всякий процесс отличается от

адиабатического процесса. Хорошим приближением к адиабатическому процессу

являются быстро протекающие процессы. Кратковременность процесса приводит к

тому, что система не успевает обменяться теплотой с окружающей средой.

При адиабатическом процессе газ не отдаёт и не получает количество

теплоты, т.е. Q = 0. Тогда первый закон термодинамики запишется

[pic] или [pic]

т.е. работа, совершаемая газом при адиабатическом процессе, производится

только за счёт изменения его внутренней энергии. Выясним, как изменяется

температура газа при этом процессе. При адиабатном расширении (V = V2 — V1

> 0, где V1 и V2 — начальный и конечный объём газа. Поэтому А = P(V > 0. Из

формулы следует, что в этом случае (U < 0. Следовательно, внутренняя

энергия газа уменьшается и температура понижается. Если же газ сжимается,

то А < 0 и (U > 0, а его температура повышается. Этим объясняется,

например, нагревание воздуха в цилиндре дизельного двигателя при его

сжатии.

Билет № 12

Электростатика — это раздел электродинамики, изучающий свойства

неподвижных зарядов, их взаимодействия друг с другом посредством полей,

называемых электростатическими. Условие неподвижности зарядов в той системе

отсчёта, в которой они изучаются, является весьма важным, так как в случае

движущихся зарядов свойства окружающего пространства кардинально меняются

и, в частности, появляется магнитное поле.

1. Известно, что разнородные тела такие, как кожа, стекло, эбонит и

т.д., потёртые друг о друга, обладают свойством притягивать к себе лёгкие

предметы, например, кусочки бумаги. Для объяснения такого взаимодействия,

названного электрическим, и было введено понятие электрического заряда.

Заряженные тела могут как притягиваться, так и отталкиваться друг от друга.

Этот факт удаётся объяснить, если ввести два типа заряда, условно названных

положительными и отрицательными (плюс и минус). Как следует из опыта,

заряды с одинаковыми знаками отталкиваются, а с разными — притягиваются.

Сила взаимодействия заряженных тел может быть различной. Это зависит от

величины зарядов, находящихся на них.

Из этого можно сделать вывод: электрический заряд является количественной

мерой способности тел к электрическим взаимодействиям.

Заряд тела не зависит от выбора системы отсчёта, т.е. не зависит от того,

движется или покоится тело, на котором он находится. В системе единиц СИ

заряд измеряется в кулонах (Кл). 1 Кулон равен заряду, протекающему через

поперечное сечение проводника за 1 с при силе постоянного тока в 1А.

2. Возникновение зарядов на телах обусловлено следующим. Все тела

построены из атомов. Атом состоит из положительно заряженного ядра и

отрицательно заряженных электронов. Заряд ядра обусловлен протонами. Заряды

протона и электрона равны по абсолютной величине, но противоположим по

знаку. Число протонов и электронов в атоме одинаково. Поэтому атом в целом

нейтрален, т.е. алгебраическая сумма зарядов атома(сумма зарядов с учетом

знаков) равна нулю, а следовательно, и тело нейтрально. Чтобы зарядить

тела, т.е. наэлектризовать их, надо отделить часть отрицательного заряда от

связанного с ним положительного заряда. Это осуществляется различными

способами: трением тел друг о друга, электростатической индукцией и т.д.

Тело, на котором оказывается избыток электронов по сравнению с протонами,

заряжается отрицательно, если наоборот — положительно Например, при

электризации трением небольшая часть электронов с одного тела переходит на

другое. Если теперь раздвинуть тела, то они окажутся заряженными — одно

положительно, другое - отрицательно

3. Из обобщения опытных данных установлен закон сохранения

электрического заряда: в любой замкнутой электрической системе

алгебраическая сумма электрических зарядов является постоянной величиной

при любых процессах, происходящих в ней.

Замкнутой называется электрическая система, из которой не выходят и в

которую не входят заряды. Так, при электризации тел трением заряды,

возникающие на телах, равны по абсолютной величине, но противоположны по

знаку. Поэтому их алгебраическая сумма также равна нулю, как и в случае не

заряженных тел.

4. В общем случае сила взаимодействия между заряженными телами зависит

от Размеров и формы Тел, а также от свойств среды, н которой находятся

тела. Наиболее просто сила взаимодействия находится для так называемых

точечных зарядов. Точечным зарядом называется заряженное тело, размеры

которого пренебрежимо малы по сравнению с расстоянием до других заряженных

тел, с которыми оно взаимодействует. Законы взаимодействия точечных зарядов

был открыт Кулоном и формулируется следующим образом: модуль Fv силы

взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами q и q0,

находящимися в вакууме, пропорционален произведению этих зарядов, обратно

пропорционален квадрату расстояния r между ними, т.е.

[pic]

где [pic] — электрическая постоянная. Эта сила направлена вдоль прямой

линии, соединяющей заряды. Электрическая постоянная равна [pic] или [pic],

где фарад (Ф) – единица электроёмкости.

Билет № 13

1. Уединённые проводники обладают крайне малой электроёмкостью. Например,

ёмкость Земли всего лишь примерно 0,7 мФ. Однако во многих электронных

приборах используются устройства, называемые конденсаторами, в которых

накапливаются достаточно большие заряды. Конденсаторы представляют собой

два проводника, близко расположенных друг к другу и разделённых слоем

диэлектрика. Если этим проводникам (обкладкам) сообщить одинаковые по

величине, но противоположные по знаку заряды, то электрическое поле,

возникающее между ними, будет практически полностью сосредоточено внутри

конденсатора. Поэтому электроёмкость конденсатора мало зависит от

расположения окружающих его тел.

Если сообщать конденсатору различные заряды, то и разность потенциалов

между его обкладками будет различной. (Под зарядом конденсатора понимается

заряд на одной из его обкладок по абсолютной величине). Однако отношение

заряда q, находящегося на конденсаторе, к разности потенциалов[pic],

возникающую между его обкладками, остаётся постоянным независимо от

величины заряда. Поэтому это отношение принимают за характеристику

способности конденсатора накапливать на себе заряды. Её по аналогии с

проводником называют электроёмкостью (или ёмкостью) конденсатора и

обозначают той же буквой С. Итак,

[pic]

т.е. емкостью конденсатора называется физическая величина равная отношению

заряда конденсатора к разности потенциалов между его обкладками.

Емкость конденсатора не зависит от величины заряда и разности потенциалов

между его обкладками и определяется только размерами и формой обкладок

конденсатора, а также диэлектрическими свойствами вещества, заполняющего

его. Емкость конденсатора, как и ёмкость проводника, измеряется в фарадах

(Ф): 1 Ф — это ёмкость такого конденсатора, при сообщении которому

заряда 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

проницаемостью (, у которого площадь каждой обкладки S и расстояние между

ними d. Емкость такого конденсатора находится по формуле:

[pic]

Из этого следует, что для изготовления конденсаторов большой ёмкости надо

увеличить площадь обкладок и уменьшать расстояние между ними.

Энергия W заряженного конденсатор: [pic] или [pic]

Конденсаторы применяются для накопления электроэнергии и использования её

при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и

переменного токов, в выпрямителях, колебательных контурах и других радио-

электронных устройствах. В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы

бывают воздушные, бумажные, слюдяные.

Билет № 14

1. Работой электрического тока называется работа, которую совершают силы

электрического поля, созданного в электрической цепи, по перемещении заряда

по этой цепи. Пусть к концам проводника приложена разность потенциалов

(напряжение) [pic] Тогда работа А, совершаемая электростатическим полем по

переносу заряда q за некоторое время 4 равна [pic]. Величину протекшего

заряда можно найти, используя силу тока I: q = It С учётом этого получаем

[pic]

Применяя закон Ома для однородного участка цепи U = IR, где R —

сопротивление проводника, выражение запишем в виде

[pic]

2. По определению мощность Р электрического тока равна Р = A/t. Получаем

P=IU.

В системе единиц СИ работа и мощность электрического тока измеряются

соответственно в джоулях и ваттах. Однако на практике используется

внесистемная единица работы — 1 кВт*ч, т.е. работа тока мощностью 1 кВт за

время 1 ч

([pic]).

3. Опытным путём джоуль и, независимо от него, Ленц установили, что при

протекании электрического тока по проводнику он нагревается, в результате

чего увеличивается его внутренняя энергия. Количество теплоты Q, выделяемое

в проводнике пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника R

и времени протекания t, т.е.

[pic]

Соотношение называют законом Джоуля - Ленца.

2. ЭДС. Возьмём два проводника, заряженные разноимёнными зарядами, и

соединим их другим проводником. Тогда в этом проводнике за счёт разности

потенциалов на его концах возникает электрическое 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 тока принимается движение

именно этих зарядов), т.е. возникает электрический ток. Однако этот ток

очень быстро прекращается вследствие того, что протекание тока приводит к

выравниванию потенциалов на концах проводника и к исчезновению внутри него

электрического поля.

Для непрерывного протекания тока по проводнику необходимо к его концам

подключить устройство, которое бы отводило положительные заряды с конца,

обладающего отрицательным потенциалом, к концу — с положительным, производя

разделение зарядов и поддерживая разность потенциалов. Такие устройства

называются источниками тока. Указанное движение зарядов внутри источника

тока (движение от точки 1 к точке 2) возможно лишь в том случае, если на

них со стороны источника тока действуют силы не электростатического

происхождения, направленные против сил электростатического поля, Их

называют сторонними силами. Природа сторонних сил может быть различной.

Так, в аккумуляторах они возникают вследствие химических реакций между

электродами и электролитом.

Действие сторонник сил характеризуют физической величиной, называемой

электродвижущей силой (э.д.с.). Она равна работе, которую совершают

сторонние силы по перемещению единичного заряда внутри источника тока, т.е.

в области, где действуют сторонние силы. Если при перемещении заряда q

сторонние силы совершили работу Аст, то по определению э.д.с. [pic] равна

[pic] Из этой формулы следует, что э.д.с., как и разность потенциалов,

измеряется в вольтах Если цепь, в которой протекает ток, замкнутая, то

работа сторонних сил по всей цепи равна работе этих сил внутри источника,

поскольку вне источника сторонние силы не действуют. Таким образом,

электродвижущая сила равна работе, которую совершают сторонние силы 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 и источника тока. Нагревая источника

тока свидетельствует о том, что он обладает некоторым внутренним

сопротивлением. Обозначим его через т. Очевидно, что нагревание источника

тока и резистора R происходит за счёт работы [pic]сторонних сил. Согласно

закону сохранения энергий, эта работа будет равняться количеству теплоты,

выделяемой в источнике и в резисторе, т.е. [pic]

где [pic] и [pic]— количество теплоты, выделяемой в резисторе и на

внутреннем сопротивлении источника тока. Но [pic]. Здесь I - сила тока,

текущего в цепи, t — время протекания тока. С учётом этого получаем[pic].

Разделив последнее равенство на It и учитывая, что q = It, находим

[pic]

Это соотношение называют законом Ома для замкнутой цепи: сила тока в

замкнутой цепи пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно

пропорциональна общему сопротивлению цепи.

Билет № 15

1. Выясним, какие изменения происходят в окружающем заряды пространстве,

если они приходят в равномерное движение?

Присоединим два гибких металлических проводника, укреплённых параллельно,

к источнику тока. На проводниках появляются равномерно распределённые

заряды противоположных знаков, которые создают вокруг себя

электростатическое поле. В результате этого возникает сила

электростатического притяжения. Если замкнуть ключ, то по проводникам

потечёт постоянный ток. При этом, несмотря на силы электростатического

притяжения, проводники отталкиваются. Это свидетельствует о том, что между

ними возникли силы неэлектростатического происхождения. Их появление можно

объяснить, если предположить, что вокруг проводника с током, т.е. вокруг

упорядоченно движущихся электрических зарядов, образуется поле,

отличающееся от электростатического поля. Его назвали магнитным. Тогда

взаимодействие токов объясняется следующим образом. Магнитное поле,

создаваемой током, текущим по одному проводнику, действует на ток,

проходящий по другому, и наоборот.

Итак, приходим к выводу: вокруг равномерно движущихся электрических

зарядов возникает магнитное поле, которое обнаруживается по действию на

другие движущиеся в этом поле заряды. Необходимо отметить, что

электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся

заряды, а магнитное только на движущиеся.

2. Индукция магнитного поля. Магнитное поле характеризуют физической

величиной, называемой индукцией магнитного поля, являющуюся вектором.

Обозначим её через В.

Подобно тому, как для изучения электрического поля используются пробные

электрические заряды, при исследовании магнитного поля применяются пробные

Страницы: 1, 2, 3, 4