УРОК № 45-46
03.2023г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА «Понятие о телевидении"
Радиоволны используются для передачи не только звука, но и изображения в телевидении.
Принцип передачи изображения
На передающей станции производится преобразование изображения в последовательность электрических сигналов. Этими сигналами модулируются колебания, вырабатываемые генератором высокой частоты. Модулированная электромагнитная волна переносит информацию на большие расстояния. В приемнике производится обратное преобразование. Высокочастотные модулированные колебания детектируются, а полученный сигнал преобразуется в видимое изображение.
Внутри иконоскопа расположен мозаичный экран, на который с помощью оптической системы проецируется изображение объекта. Каждая ячейка мозаики заряжается, причем ее заряд зависит от интенсивности падающего на ячейку света. Этот заряд меняется при попадании на ячейку электронного пучка, создаваемого электронной пушкой. Электронный пучок последовательно попадает на все элементы сначала одной строчки мозаики, затем другой строчки и т. д. (всего 625 строк). От того, насколько сильно меняется заряд ячейки, зависит сила тока в резисторе R. Поэтому напряжение на резисторе изменяется пропорционально изменению освещенности вдоль строк кадра.
Принцип приема изображений
Высокочастотные сигналы, полученные на выходе трубки, попадают на антенну, излучающую соответствующие электромагнитные волны. Эти сигналы формируются в телевизионном приемнике после детектирования. Это видеосигналы. Они преобразуются в видимое изображение на экране приемной вакуумной электронной трубки — кинескопа.
Электронная пушка такой трубки снабжена электродом, управляющим числом электронов в пучке и, следовательно, свечением экрана в месте попадания луча. Системы катушек горизонтального и вертикального отклонения заставляют электронный луч обегать весь экран точно таким же образом, как электронный луч обегает мозаичный экран в передающей трубке.
Синхронность движения лучей в передающей и приемной трубках достигается посылкой специальных синхронизирующих сигналов. Телевизионные радиосигналы могут быть переданы только в диапазоне ультракоротких (метровых) волн. Такие волны распространяются обычно лишь в пределах прямой видимости антенны. Поэтому для охвата телевизионным вещанием большой территории необходимо размещать телепередатчики как можно ближе друг к другу и поднимать их антенны как можно выше. Башня Останкинского телецентра в Москве высотой 540 м обеспечивает надежный прием телепередач в радиусе 120 км.
В настоящее время телевизионная сеть насчитывает несколько тысяч вещательных станций; их передачи принимают около 100 млн. телевизоров.
Для получения цветного изображения осуществляется передача трех видеосигналов, несущих компоненты изображения, соответствующие основным цветам (красному, зеленому, синему). Зона надежного приема телевидения непрерывно увеличивается, в основном за счет использования ретрансляционных спутников.
Развитие средств связи
Еще сравнительно недавно междугородная телефонная связь осуществлялась исключительно по проводам. В настоящее время все шире применяются кабельные и радиорелейные линии, повышается уровень автоматизации связи.
В радиорелейных линиях связи используются ультракороткие (дециметровые и сантиметровые) волны. Эти волны распространяются в пределах прямой видимости, поэтому линии состоят из цепочки маломощных радиостанций, каждая из которых передает сигналы к соседней как бы по эстафете. Такие станции имеют мачты высотой 60—80 м, находящиеся на расстоянии 40—60 км друг от друга.
Все большей популярностью пользуются оптоволоконные линии связи, позволяющие передавать большой объем информации. Процесс передачи основан на многократном отражении лазерного луча, распространяющегося по тонкой трубке (волокну). Такая связь возможна между двумя неподвижными объектами.
Успехи в области космической радиосвязи позволили создать новую систему связи, названную «Орбита». В этой системе используются ретрансляционные спутники связи.
Спутники связи серии «Молния» запускаются на сильно вытянутые орбиты. Период их обращения составляет около 12 ч.
Созданы мощные и надежные системы, обеспечивающие телевизионным вещанием районы Сибири и Дальнего Востока. Они позволяют осуществить телефонно -телеграфную связь с отдаленными районами нашей страны. Новые спутники связи серии «Радуга» запускаются на орбиту радиусом около 36 000 км. На этой орбите период обращения спутника равен 24 ч, и поэтому спутник все время находится над одной и той же точкой поверхности Земли.
ЗАДАНИЕ:
Подготовить реферат.
Темы:
1. Современные способы передачи изображения. Цифровое телевидение.
2. Общий принцип работы современных телевизоров.
3. Спутниковые антенны. Принцип их действия.
4. История телевидения и перспективы развития. Получение объёмных изображений.
УРОК №44
21 .03.2023г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА «Изобретение радио А. С. Поповым»
Впервые радиосвязь была установлена в России А. С. Поповым, создавшим аппаратуру, принимающую и передающую сигналы.
Опыты Герца, описание которых появилось в 1888 г., побудили искать пути усовершенствования излучателя и приемника электромагнитных волн. В России одним из первых изучением электромагнитных волн занялся преподаватель офицерских курсов в Кронштадте А. С. Попов. В качестве детали, непосредственно «чувствующей» электромагнитные волны, А. С. Попов применил когерер.
В обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с другом. Последовательно с когерером включаются электромагнитное реле и источник постоянного напряжения. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искорки, в результате сопротивление когерера резко падает. Сила тока в катушке электромагнитного реле возрастает, и оно включает звонок. Молоточек звонка, ударяя по когереру, встряхивает его и возвращает в исходное состояние. С последним встряхиванием когерера аппарат готов к приему новой волны.
Чтобы повысить чувствительность аппарата, А. С. Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав тем самым первую в мире приемную антенну для беспроволочной связи. Заземление превращает проводящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивает дальность приема.
Основные принципы действия современных радиоприемников те же, что и в приборе Попова. Современный приемник также имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает очень слабые электромагнитные колебания. Как и в приемнике А. С. Попова, энергия этих колебаний не используется непосредственно для приема. Слабые сигналы лишь управляют источниками энергии, питающими последующие цепи. Сейчас такое управление осуществляется с помощью полупроводниковых приборов.
7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества в Петербурге А. С. Попов продемонстрировал действие своего прибора, явившегося, по сути дела, первым в мире радиоприемником.
День 7 мая стал днем рождения радио. А. С. Попов продолжал настойчиво совершенствовать приемную и передающую аппаратуру. Он ставил своей непосредственной задачей создать прибор для передачи сигналов на большие расстояния.
Вначале радиосвязь была установлена на расстоянии 250 м, но вскоре Попов добился дальности связи более 600 м.
Затем на маневрах Черноморского флота в 1899 г. ученый установил радиосвязь на расстоянии свыше 20 км, а в 1901 г. дальность радиосвязи была уже 150 км.
В новой конструкции передатчика искровой промежуток был размещен в колебательном контуре, индуктивно связанном с передающей антенной и настроенном с ней в резонанс.
Изменились и способы регистрации сигнала: параллельно звонку был подключен телеграфный аппарат, позволивший вести автоматическую запись сигналов.
В 1899 г. была обнаружена возможность приема сигналов с помощью телефона.
В начале 1900 г. радиосвязь успешно использовали в ходе спасательных работ в Финском заливе.
При участии А. С. Попова радиосвязь начали применять на флоте и в армии России. За границей усовершенствование подобных приборов проводилось фирмой, организованной итальянским инженером Г. Маркони. Опыты, поставленные в широком масштабе, позволили осуществить радиотелеграфную передачу через Атлантический океан.
Принципы радиосвязи
Переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик. Важнейшим этапом в развитии радиосвязи было создание в 1913 г. генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Кроме передачи телеграфных сигналов, состоящих из коротких и более продолжительных импульсов («точки» и «тире») электромагнитных волн, стала возможной надежная и высококачественная радиотелефонная связь - передача речи и музыки с помощью электромагнитных волн
. Радиотелефонная связь
При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать в антенну, то можно будет передавать на расстояние речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ передачи неосуществим. Дело в том, что частота звуковых колебаний мала, а электромагнитные волны низкой (звуковой) частоты имеют малую интенсивность.
Модуляция
Для осуществления радиотелефонной связи необходимо использовать высокочастотные колебания, интенсивно излучаемые антенной. Незатухающие гармонические колебания высокой частоты вырабатывает генератор, например генератор на транзисторе. Для передачи звука эти высокочастотные колебания изменяют, или, как говорят, модулируют, с помощью электрических колебаний низкой (звуковой) частоты. Можно, например, изменять со звуковой частотой амплитуду высокочастотных колебаний. Этот способ называют амплитудной модуляцией. На рисунке приведены три графика:
а) график колебаний высокой частоты, которую называют несущей частотой;
б) график колебаний звуковой частоты, т. е. модулирующих колебаний;
в) график модулированных по амплитуде колебаний.
Без модуляции мы в лучшем случае можем контролировать лишь, работает станция или молчит. Без модуляции нет ни телефонной, ни телевизионной передачи. Модуляция — медленный процесс. Это такие изменения в высокочастотной колебательной системе, при которых она успевает совершить очень много высокочастотных колебаний, прежде чем их амплитуда изменится заметным образом.
Детектирование
Основные принципы радиосвязи представлены в виде блок-схемы:
1. Составить краткий конспект.
2. Выполнить задание:
А) При передаче электрических колебаний звуковой частоты √1 от радиостанции до приёмника с использованием амплитудной модуляции необходимо, чтобы частота несущей волны √2 была:
1. равна √1 3. Меньше √1
2. много меньше √1 4. Много больше √1
Б) Амплитудная модуляция высокочастотных электромагнитных колебаний в радиопередатчике используется для:
1.увеличения мощности радиостанции
2. изменения амплитуды высокочастотных колебаний со звуковой частотой
3.изменения амплитуды колебаний звуковой частоты
15.03.2023г. ГРУППА 401 ФИЗИКА. ТЕМА «Образование и распространение электромагнитных волн»
Часто вы слышите от заботливых мам: «Не клади телефон под подушку! Не сиди долго за компьютером. Не находись долго около микроволновки! Не носи телефон в кармане! Вредно для здоровья, опасно для жизни, есть риск заболеть раковыми заболеваниями, действуют электромагнитные волны».
Вселенная-это океан электромагнитных излучений. Человек живет в нем, не замечая волн, проникающих в окружающее пространство. Включив лампочку или греясь у камина, человек заставляет источник этих волн работать, не задумываясь об их свойствах. Открытие природы электромагнитного излучения, позволило человечеству в течение XX века освоить и ввести в эксплуатацию различные его виды.
Электромагнитные волны существуют независимо от нас: знаем мы о них или нет. Если бы они действительно пропали, то погасло бы Солнце. А если бы гениальные люди – ученые их не открыли, не было бы у нас ни телевизора, ни приемника, ни сотового телефона, ни микроволновки и многого другого.
Воздух, к примеру, хоть и мало заметен, но все же выдает себя: подул ветер, и мы его обнаружили. А как же увидеть электромагнитную волну? Вот она пришла на телефон, он принял сигнал и зазвонил. Где же волна? Кто ее видел? Никто. Поэтому одна из целей нашего сообщения: выяснить, что такое электромагнитная волна?
Трудно искать то, не знаю что. И лишь гениальный ум ученых и долгий кропотливый труд позволил нам приобрести современные блага человечества. Поэтому другая цель нашего урока: выяснить как и кто из ученых внес свой вклад в открытие и использование электромагнитных волн.
Посмотрим, как проходили этапы открытия электромагнитных волн.
Этапы открытия электромагнитных волн.
1. Ханс Кристиан Эрстед (1820 г.) ) датский физик, непременный секретарь Датского королевского общества (с 1815 года).
С 1806 года - профессор этого университета, с 1829 года одновременно директор Копенгагенской политехнической школы. Работы Эрстеда посвящены электричеству, акустике, молекулярной физике. В 1820 году он обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что привело к возникновению новой области физики - электромагнетизма...
Вывод 1 Электрический ток (движущиеся заряженные частицы) порождает магнитное поле.
Гениальный ученый Майкл Фарадей был самоучкой. В школе получил только начальное образование, а затем в силу жизненных проблем работал и попутно изучал научно-популярную литературу по физике и химии. Позже Фарадей стал лаборантом у известного в то время химика, затем превзошел своего учителя и сделал много важного для развития таких наук, как физика и химия. В 1821 году Майкл Фарадей узнал об открытии Эрстеда, которое заключалось в том, что электрическое поле создает магнитное поле. После обдумывания этого явления, Фарадей задался целью получить из магнитного поля электрическое поле и в качестве постоянного напоминания он носил в кармане магнит. Через десять лет он претворил свой девиз в жизнь. Превратил магнетизм в
электричество открыл явление электромагнитной индукции.
.Вывод 2. Меняющееся магнитное поле порождает электрический ток.
Теоретические обоснования открытия Фарадея осуществил английский ученый Максвелл Джеймс Клерк. Он родился именно в тот год, когда Фарадей сделал свое открытие
Ученый-теоретик вывел уравнения, которые носят его имя. Эти уравнения говорили о том, что переменные магнитное и электрическое поля создают друг друга. Из этих уравнений следует, что переменное магнитное поле создает вихревое электрическое поле, а оно создает переменное магнитное поле. Кроме того, в его уравнениях была постоянная величина – это скорость света в вакууме. Т.е. из этой теории следовало, что электромагнитная волна распространяется в пространстве со скоростью света в вакууме. Поистине гениальная работа была оценена многими учеными того времени, а А. Эйнштейн говорил, Что самым увлекательным во время его учения была теория Максвелла. 1864 год Максвелл создал теорию электромагнитного поля.
Вывод 3. Меняющееся магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое, в свою очередь, снова порождает переменное магнитное поле и т.д.
Мы выяснили, что переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, которое снова порождает переменное магнитное поле и т.д. Другими словами, происходит распространение в пространстве чередующихся переменного магнитного и электрического полей. Так как электрическое и магнитное поля отделить друг от друга невозможно, поле назвали электромагнитным. Это распространение электромагнитного поля и назвали электромагнитной волной.
: Электромагнитная волна – распространение в пространстве переменного электромагнитного поля.
Что создает электромагнитную волну? Переменное электромагнитное поле может создать, к примеру, переменный электрический ток. Действительно: периодически меняющие направление заряженные частицы создают и переменное электромагнитное поле. При этом заряженные частицы движутся с ускорением.
Вывод 4. Излучение электромагнитных волн возникает при ускоренном движении заряженных частиц.
Мы с вами уже изучили механические волны. Электромагнитная волна во многом схожа с механической .
Понятия длины волны, периода и частоты колебаний и формулы для их нахождения остаются прежними. Только под скоростью распространения электромагнитной волны подразумевается постоянная величина, равная скорости света в вакууме, т.е. 300000 км/с.
Но между ними есть одно существенное отличие. Ведь что такое механическая волна? (Распространение колебаний частиц в пространстве). Так как в вакууме частиц нет, то и распространяться механическая волна в нем не может. Электромагнитной волне для ее распространения среда не нужна.
Вывод 5 Электромагнитная волна может распространяться в вакууме и ее скорость равна скорости света.
Максвелл создал теорию электромагнитных волн, но что такое теория без ее экспериментального подтверждения – не более чем красивые формулы, связанные логическими рассуждениями. Он был глубоко убежден в реальности электромагнитных волн, но, к сожалению, не дожил до их экспериментального обнаружения 10 лет.
Экспериментально обнаружил электромагнитные волны немецкий физик Генрих Герц. Генрих Герц родился болезненным ребенком, но стал очень сообразительным учеником. Ему нравились все предметы, которые изучал. Будущий ученый любил писать стихи, работать на токарном станке. После окончания гимназии Герц поступил в высшее техническое училище, но не пожелал быть узким специалистом и поступил в Берлинский университет, чтобы стать ученым.
Еще, будучи студентом, Герц защитил докторскую диссертацию на «отлично» и получил звание доктора. Ему было 22 года. Ученый успешно занялся теоретическими исследованиями. Изучая теорию Максвелла, он показал высокие экспериментальные навыки, создал прибор, который называется сегодня антенной и с помощью передающей и приемной антенн осуществил создание и прием электромагнитной волны и изучил все свойства этих волн.
1887 год Генрих Герц экспериментально обнаружил существование электромагнитных волн.
Теперь дело стало за практическим применением электромагнитных волн.
В 1895 году русский физик Александр Сергеевич Попов совершенствует приемную и передающую антенну и осуществляет связь на расстоянии 250 м, затем на 600 м. В 1899 году ученый установил радиосвязь на расстоянии 20 км, а в 1901 – на 150 км. В 1900 году радиосвязь помогла провести спасательные работы в Финском заливе. В 1901 году итальянский инженер Г. Маркони осуществил радиосвязь через Атлантический океан.
Итак, посмотрите сколько лет потребовалось гениальным ученым, чтобы от открытия Эрстеда дойти до практического применения электромагнитных волн? Не просто человечество получила те блага, о которых речь шла вначале урока.
Разбор тренировочного задания
1. Определить, на какой частоте работает передатчик, если длина излучаемых им волн равна 200 м.
Дано: 𝛌=200 м с=3·108 м/с 𝞶 -? | Решение: Частоту выражаем через длину волны и скорость. Ответ: 1,5∙ 106 Гц |
Задание
1. Ответьте на вопросы:
Что такое электромагнитная волна?
Кто создал теорию электромагнитной волны?
Кто изучил свойства электромагнитных волн?
Чтобы ответить на следующие вопросы, вспомните формулы, связывающие понятия скорость, частота, длина волны, период, полученные для механических волн, учтя при этом, что v=c.
2. Запишите формулы длины волны через период и частоту колебаний и ответьте на вопросы:
1. Как зависит длина волны от частоты колебаний?
2. Что произойдет с длиной волны, если период колебания частиц увеличится в 2 раза?
3. Что является причиной излучения электромагнитной волны?
4. Где используются электромагнитные волны?
3. .Необходимо подготовить сообщения о различных видах электромагнитного излучения, перечислив их особенности, и рассказать об их применении в жизни человека. Сообщение по длительности должно составлять пять минут.
1. Радиоволны
2. Инфракрасное излучение
3. Видимый свет
4. Ультрафиолетовое излучение
5. Рентгеновское излучение
излучение
Переменный ток обладает ещё одним важным свойством: его напряжение можно сравнительно легко менять — трансформировать (слово «трансформация» образовано от латинского слова transformo — «преобразую»). Достигается это посредством несложного устройства — трансформатора, созданного в 1876 году русским учёным Павлом Николаевичем Яблочковым.
Трансформатор — устройство, осуществляющее повышение и понижение напряжения переменного тока при неизменной частоте и незначительных потерях мощности.
Простейший трансформатор состоит из двух катушек изолированного провода и замкнутого стального сердечника, проходящего сквозь обе катушки. Катушки изолированы друг от друга и от сердечника. Одна из катушек, называемая первичной, включается в сеть переменного тока.
Опыт показывает, что во сколько раз число витков вторичной катушки больше (или меньше) числа витков на первичной катушке, во столько же раз напряжение на вторичной катушке больше (или меньше) напряжения на первичной катушке:
U2 |U1 = n2 | n1 =k.
Величина k называется коэффициентом трансформации. Коэффициент равен отношению числа витков вторичной обмотки к числу витков в первичной обмотке.
Во сколько раз увеличивается напряжение на вторичной обмотке трансформатора, примерно во столько же раз уменьшается в ней сила тока при работе нагруженного трансформатора.
В результате мощность тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора почти одинакова, поэтому коэффициент полезного действия (КПД) трансформатора близок к единице. КПД у мощных трансформаторов достигает 99,5 %.
Идеальный трансформатор
Идеальный трансформатор – трансформатор, в котором отсутствуют потери энергии. В таком трансформаторе энергия тока в первичной обмотке полностью преобразуется сначала в энергию магнитного поля, а далее – в энергию вторичной обмотки.
Конечно, такого трансформатора не существует в природе. Тем не менее, в случае, когда теплопотерями можно пренебречь, в расчетах удобно пользоваться формулой для идеального трансформатора, согласно которой мощности тока в первичной и вторичной обмотках равны.
Потери энергии в трансформаторе
Коэффициент полезного действия трансформаторов достаточно высок. Тем не менее, в обмотке и сердечнике происходят потери энергии, приводящие к тому, что температура при работе трансформатора повышается. Для трансформаторов небольшой мощности это не представляет проблемы, и все тепло уходит в окружающую среду – используется естественное воздушное охлаждение. Такие трансформаторы называют сухими.
В более мощных трансформаторах воздушного охлаждения оказывается недостаточно, и применяется охлаждение маслом. В этом случае трансформатор помещается в бак с минеральным маслом, через которое тепло передается стенкам бака и рассеивается в окружающую среду. В трансформаторах высоких мощностей дополнительно применяются выхлопные трубы – если масло закипает, образовавшимся газам нужен выход.
Ответьте на вопросы:
1. Устройство трансформатора?
2. Что называется первичной, вторичной обмоткой?
3. На чём основан принцип действия трансформатора?
4. Что называется коэффициентом трансформации?
14.03.2023г. .ГРУППА 401. ТЕМА. «Работа и мощность переменного тока.»
Полная мощность генератора переменного тока определяется произведением тока на напряжение: S=UI
где S — полная мощность,
I — действующая сила тока, на которую рассчитана обмотка генератора,
U – расчетное действующее значение напряжения генератора, в.
Размеры генератора переменного тока зависят от полной мощности, на которую он рассчитывается. Это связано с тем, что поперечное сечение проводов обмотки определяется силой тока, а толщина изоляции и число витков обмотки — напряжением, которое будет вырабатывать генератор.
Полная мощность генератора переменного тока, включенного в цепь с активным (г) и реактивными сопротивлениями (ХL и Хс), состоит из мощности, расходуемой в активном сопротивлении, и реактивной части мощности.
Мощность, расходуемая в активном сопротивлении, преобразуется в полезную работу или тепло, рассеиваемое в пространство
Реактивная часть мощности обусловлена колебаниями энергии при создании и исчезновении магнитных и электрических полей. Энергия то запасается в полях реактивных сопротивлений, то возвращается генератору, включенному в цепь. Реактивные токи, протекающие между генератором и реактивными приемниками, обладающими индуктивным и емкостным сопротивлениями, бесполезно загружают линию и генератор и этим вызывают дополнительные потери энергии.
Связь между полной, активной и реактивной мощностями определим из треугольника мощностей. Для построения треугольника мощности умножим стороны треугольника напряжений (рис. 62, а) на силу тока I, тогда получим подобный треугольник мощностей А'О'Б' (рис. 62,6). Сторона О'Б' этого треугольника равна активной мощности Р, сторона Б'А' — реактивной мощности Q, а гипотенуза А'О' треугольника равна полной мощности S.
Из треугольника мощностей следует, что отношение
измеряется в ваттах. Из этого же треугольника следует, что отношение
Отсюда реактивная мощность
и измеряется в вольт-амперах реактивных (вар).
Полная мощность
измеряется в вольт-амперах (ва).
Чтобы судить о том, какая часть полной мощности расходуется как активная (полезная) мощность и какая часть является реактивной (бесполезной) мощностью, следует разделить активную мощность на полную. Из треугольника мощностей видно, что это отношение характеризуется косинусом угла сдвига фаз между током и напряжением в данной цепи:
Таким образом, cos φ является коэффициентом мощности переменного тока.
Пример. Полная мощность установки S = 800 ва. Ваттметр, измеряющий активную часть мощности, показывает что она равна 720 вт. Определить коэффициент мощности.
Р е ш е н и е. Коэффициент мощности
Это значит, что 90% полной мощности расходуется в виде активной мощности на полезную работу, а 10% обусловлены наличием реактивной бесполезной мощности.
Увеличение активного сопротивления приводит к уменьшению угла сдвига фаз, а следовательно, к возрастанию косинуса этого угля и к увеличению коэффициента мощности.
Индуктивная нагрузка, подключенная в цепь, наоборот, увеличивает угол сдвига фаз и тем самым понижает коэффициент мощности.
Причиной низкого коэффициента мощности может быть
- работа электродвигателей станков или машин вхолостую;
- недогрузка станка, связанная с тем, что на станке большой мощности обрабатываются мелкие детали;
-неправильный выбор мощности двигателя, устанавливаемого на станке;
-низкое качество ремонта двигателя; плохая смазка и т. д.
При нормальной нагрузке двигателя его коэффициент мощности составляет 0,83—0,85. При холостом ходе двигателя его коэффициент мощности понижается и составляет 0,1—0,3.Это значит, что активная мощность мала.
Таким образом, повышение коэффициента мощности и экономное расходование электрической энергии — важное государственное дело.
ЗАДАНИЕ:
Тест по теме «Мощность переменного тока»
1. Мощность переменного тока зависит :
-от синуса угла сдвига фаз косинуса
-угла сдвига фаз тангенса
- угла сдвига фаз котангенса
- угла сдвига фаз
2. При γ=0 мощность в любые промежутки времени:
- отрицательная
-равна нулю
-положительная
-может быть любой
3. Чему равно наименьшее значение cosγ при использовании переменного тока?
- 0
- 0,85
- 0,1
30.12.2022г ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА «ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК»
Сейчас невозможно представить себе нашу цивилизацию без электричества. Телевизоры, холодильники, компьютеры – вся бытовая техника работает на нем. Основным источником энергии является переменный ток.
Электрический ток, питающий розетки в наших домах, является переменным А что это такое? Каковы его характеристики? Чем же переменный ток отличается от постоянного? Об этом мы поговорим. В известном опыте Фарадея при движении полосового магнита относительно катушки появлялся ток, что фиксировалось стрелкой гальванометра, соединенного с катушкой. Если магнитом привести колебательное движение относительно катушки, то стрелка гальванометра будет отклоняться то в одну сторону, то в другую – в зависимости от направления движения магнита. Это означает, что возникающий в катушке ток меняет свое направление. Такой ток называют переменным.
Электрический ток, периодически меняющийся со временем по модулю и направлению, называется переменным током.
Переменный электрический ток представляет собой электромагнитные вынужденные колебания. Переменный ток в отличие от постоянного имеет период, амплитуду и частоту.
Сила тока и напряжение меняются со временем по гармоническому закону, такой ток называется синусоидальным. В основном используется синусоидальный ток. Колебания тока можно наблюдать с помощью осциллографа.
Если напряжение на концах цепи будет меняться по гармоническому закону, то и напряженность внутри проводника будет так же меняться гармонически. Эти гармонические изменения напряженности поля, в свою очередь вызывают гармонические колебания упорядоченного движения свободных частиц и, следовательно, гармонические колебания силы тока. При изменении напряжения на концах цепи, в ней с очень большой скоростью распространяется электрическое поле. Сила переменного тока практически во всех сечениях проводника одинакова потому, что время распространения электромагнитного поля превышает период колебаний.
Рассмотрим процессы, происходящие в проводнике, включенном в цепь переменного тока. Сопротивление проводника, в котором происходит превращение электрической энергии во внутреннюю энергию, называют активным. При изменении напряжения на концах цепи по гармоническому закону, точно так же меняется напряженность электрического поля и в цепи появляется переменный ток.
При наличии такого сопротивления колебания силы тока и напряжения совпадают по фазе в любой момент времени.
ℐm- амплитудное значение силы тока.
Колебания ЭДС индукции определяются формулами:
Действующее значение силы переменного тока равно силе такого постоянного тока, при котором в проводнике выделяется то же количество теплоты, что и при переменном токе за то же время.
Um - амплитудное значение напряжения.
Действующие значения силы тока и напряжения:
Конденсатор включенный в электрическую цепь оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.
Величину ХC, обратную произведению циклической частоты на электрическую ёмкость конденсатора, называют ёмкостным сопротивлением.
Ёмкостное сопротивление не является постоянной величиной. Мы видим, что конденсатор оказывает бесконечно большое сопротивление постоянному току
Если включить в электрическую цепь катушку индуктивности, то она будет влиять на прохождение тока в цепи, т.е. оказывать сопротивление току. Это можно объяснить явлением самоиндукции.
Величину ХL, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.
XL= ωL
Если частота равна нулю, то индуктивное сопротивление тоже равно нулю.
При увеличении напряжения в цепи переменного тока сила тока будет увеличиваться так же, как и при постоянном токе. В цепи переменного тока содержащем активное сопротивление, конденсатор и катушка индуктивности будет оказываться сопротивление току. Сопротивление оказывает и катушка индуктивности, и конденсатор, и резистор. При расчёте общего сопротивления всё это надо учитывать
. Основываясь на этом закон Ома для переменного тока формулируется следующим образом: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.
Если цепь содержит активное сопротивление, катушку и конденсатор, соединенные последовательно, то полное сопротивление равно
В электрической цепи постоянного тока, зная напряжение на зажимах потребителя и протекающий ток , можем легко определить потребляемую мощность, умножив величину тока на напряжение. В цепи переменного тока мощность равна произведению напряжения на силу тока и на коэффициент мощности. Мощность цепи переменного тока
P=IU cosφ
Величина cosφ – называется коэффициентом мощности
Коэффициент мощности показывает, какая часть энергии преобразуется в другие виды. Коэффициент мощности находят с помощью фазометров. Уменьшение коэффициента мощности приводит к увеличению тепловых потерь. Для повышения коэффициента мощности электродвигателей параллельно им подключают конденсаторы. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока создают противоположные сдвиги фаз. При одновременном включении конденсатора и катушки индуктивности происходит взаимная компенсация сдвига фаз и повышение коэффициента мощности. Повышение коэффициента мощности является важной народнохозяйственной задачей.
Разбор типовых тренировочных заданий
1. Рамка вращается в однородном магнитном поле. ЭДС индукции, возникающая в рамке, изменяется по закону e=80 sin 25πt. Определите время одного оборота рамки.
Дано: e=80 sin 25πt.
Найти: T.
Решение:
Колебания ЭДС индукции в цепи переменного тока происходят по гармоническому закону
Согласно данным нашей задачи:
Ответ: T = 0,08 c.
РЕШИТЬ САМОСТОЯТЕЛЬНО:
1. Чему равна амплитуда силы тока в цепи переменного тока частотой 50 Гц, содержащей последовательно соединенные активное сопротивление 1 кОм и конденсатор емкости С = 1 мкФ, если действующее значение напряжения сети, к которой подключен участок цепи, равно 220 В?
2. Установите соответствие между физической величиной и прибором для измерения.
Физические величины | Физические приборы |
Сила тока | Омметр |
Напряжение | Вольтметр |
Сопротивление | Амперметр |
Мощность | Ваттметр |
УРОК №36
23 .12.2022. ГРУППА 401. ФИЗИКА.
ТЕМА. «Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур.»
При электромагнитных колебаниях происходит периодические изменения электрического заряда, силы тока и напряжения. Электромагнитные колебания подразделяются на свободные, затухающие, вынужденные и автоколебания.
Свободными колебаниями называются колебания, которые возникают в системе (конденсатор и катушка) после выведения ее из положения равновесия (при сообщении конденсатору заряда). Точнее, свободные электромагнитные колебания возникают при разрядке конденсатора через катушку индуктивности. Вынужденными колебаниями называются колебания в цепи под действием внешней периодически изменяющейся электродвижущей силы.
Простейшей системой, в которой наблюдаются свободные электромагнитные колебания, является колебательный контур. Он состоит из катушки индуктивности и конденсатора. Этот процесс будет повторяться снова и снова. Возникнут электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора
Конденсатор, заряжаясь от батареи, в начальный момент времени приобретет максимальный заряд. Его энергия Wэ будет максимальной.
- Если конденсатор замкнуть на катушку , то в этот момент времени он начнет разряжаться (рис. б). В цепи появится ток. По мере разрядки конденсатора ток в цепи и в катушке возрастает. Из-за явления самоиндукции это происходит не мгновенно. Энергия катушки Wм становится максимальной.
- Индукционный ток течет в ту же сторону. Электрические заряды вновь накапливаются на конденсаторе. Конденсатор перезаряжается, т.е. обкладка конденсатора, прежде заряженная положительно, будет заряжена отрицательно. Энергия конденсатора становится максимальная. Ток в данном направлении прекратится, и процесс повторится в обратном направлении.
- Этот процесс будет повторяться снова и снова. Возникнут электромагнитные колебания из-за превращения энергии электрического поля конденсатора
- Контур, в котором нет потерь энергии, является идеальным колебательным контуром.
Период электромагнитных колебаний в идеальном колебательном контуре зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по формуле Томсона
В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания
являются затухающими из-за потери энергии при нагревании проводов.
Ответить на вопросы
1) В чём различие между свободными и вынужденными электрическими колебаниями?
2) Как изменится период свободных электрических колебаний в контуре, если ёмкость конденсатора в нём в двое увеличить?
3) Как связаны амплитуды колебаний заряда и тока при разрядке конденсатора через катушку?
4) Определить частоту колебания в колебательном контуре, если ёмкость конденсатора равна 10 нФ , а индуктивность - 10н
23.12.2022г. ГРУППА401. Контрольная работа по теме: «Механические колебания»
Вариант 1
1. Какие из перечисленных ниже движений являются механическими колебаниями? Укажите все правильные ответы.
А. Движение качелей.
Б. Движение мяча, падающего на землю.
В. Движение звучащей струны гитары.
2. Груз, колеблющийся на пружине, за 8с совершил 32 колебания. Найти период и частоту колебаний.
3. Какое из приведенных ниже выражений определяет частоту колебаний математического маятника? Укажите все правильные ответы.
А. 2π√l/g Б. 1/2π√l/g В. 2π√g/l
4. Груз массой 9,86 кг колеблется на пружине, имея период колебаний 2с. Чему равна жёсткость пружины? Какова частота колебаний груза?
5.Период колебаний крыльев шмеля 5 мс. Частота колебаний крыльев комара 600 Гц. Какое из насекомых сделает больше взмахов крыльями за 1 мин и на сколько?
7. Груз массой 400 г совершает колебания на пружине жесткостью 250 Н/м. Амплитуда колебаний 15 см. Найдите полную механическую энергию колебаний и наибольшую скорость. В каком положении она достигается?
Вариант 2
1. Какие из перечисленных ниже колебаний являются свободными? Укажите все правильные ответы.
А. Колебания груза, подвешенного к пружине, после однократного его отклонения от положения равновесия.
Б. Колебания диффузора громкоговорителя во время работы приемника. В. Колебания груза на нити, один раз отведенного от положения равновесия и отпущенного.
2. Материальная точка колеблется с частотой 10 кГц. Определить период колебаний и число колебаний в минуту.
3. Какое из приведенных ниже выражений определяет частоту колебаний пружинного маятника? Укажите все правильные ответы.
А. 2π√m/k Б. 2π√k/m В. 2π√mk
4.Математический маятник длиной 99,5 см за одну минуту совершал 30 полных колебаний. Определить период колебания маятника и ускорение свободного падения в том месте, где он находится..
7. Материальная точка колеблется с частотой 10 кГц. Определить период колебаний и число колебаний в минуту.
8. Медный шарик, подвешенный к пружине, совершает вертикальные колебания. Как изменится период колебаний, если к пружине подвесить алюминиевый шарик того же радиуса? (плотность меди равна 8900 кг/м3, алюминия - 2700 кг/м3)
21.12.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. «Решение задач по теме «Механические колебания»
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача1. Пружинный маятник за 2мин. совершил 60 колебаний. Определить период и частоту колебания.
Задача 2. На Луне поместили математический маятник с частотой колебания 0,5 Гц. Определить длину маятника, если ускорение свободного падения на Луне равно 1,6 м/с2.
Задача 3. По данному рисунку определите: амплитуду, период, частоту колебания. Запишите уравнение этого колебания
РЕШЕНИЕ:
Уравнение гармонических колебаний в общем виде записывается:
X (t) = A cos(ωt +φ0 ), то наше уравнение будет иметь вид –Х(t)= 10cos (2πt +π/4)
РЕШИТЕ САМОСТОЯТЕЛЬНО
УРОК № 32-33
16.12.2022г. Группа 401. ФИЗИКА. ТЕМА «Звуковые волны. Ультразвук и его применение»
Звук - это упругие продольные волны частотой от 20 Гц до 20000 Гц, вызывающие у человека слуховые ощущения.
Таким образом колебания струны или пластинки возбуждают колебания окружающего воздуха и, распространяясь, достигают уха человека, заставляя колебаться его барабанную перепонку, вызывая раздражение слухового нерва, воспринимаемое нами как звук.
Скорость распространения звуковых волн в разных средах неодинакова. Она зависит от упругости среды, в которой они распространяются. Медленнее всего звук распространяется в газах. В воздухе скорость распространения звуковых колебаний в среднем равна 330 м/с, однако она может изменяться в зависимости от его влажности, давления и температуры. В безвоздушном пространстве звук не распространяется. В жидкостях звук распространяется быстрее. В твердых телах – еще быстрее. В стальном рельсе, например, звук распространяется со скоростью » 5000 м/с.
При распространении звука в атомы и молекулы колеблются вдоль направления распространения волны, значит звук - продольная волна.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗВУКА
1. Громкость. Громкость зависит от амплитуды колебаний в звуковой волне. Громкость звука определяется амплитудой волны.
За единицу громкости звука принят 1 Бел (в честь Александра Грэхема Белла, изобретателя телефона). Громкость звука равна 1 Б, если его мощность в 10 раз больше порога слышимости.
На практике громкость измеряют в децибелах (дБ).
1 дБ = 0,1Б. 10 дБ – шепот; 20–30 дБ – норма шума в жилых помещениях;
50 дБ – разговор средней громкости;
70 дБ – шум пишущей машинки;
80 дБ – шум работающего двигателя грузового автомобиля;
120 дБ – шум работающего трактора на расстоянии 1 м
130 дБ – порог болевого ощущения.
Звук громкостью свыше 180 дБ может даже вызвать разрыв барабанной перепонки.
2. Высота тона. Высота звука определяется частотой волны, или частотой колебаний источника звука.
Звуки человеческого голоса по высоте делят на несколько диапазонов:
- бас – 80–350 Гц,
- баритон – 110–149 Гц,
- тенор – 130–520 Гц,
- дискант – 260–1000 Гц,
- сопрано – 260–1050 Гц,
- колоратурное сопрано – до 1400 Гц.
.Ультразвук или ультразвуковые волны— это упругие волны высокой частоты. Человеческое ухо воспринимает распространяющиеся в среде упругие волны частотой приблизительно от 16 до 20 000 колебаний в секунду (Гц). Колебания с более высокой частотой представляют собой ультразвук. Обычно ультразвуковым диапазоном считают полосу частот от 20 000 до нескольких миллиардов Герц.
В природе ультразвук встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. Некоторые животные пользуются ультразвуковыми волнами для обнаружения препятствий, ориентировки в пространстве и общения (киты, дельфины, летучие мыши, грызуны, долгопяты).
Способы получения ультразвука.
Ультразвуковые волны в жидкостях и твёрдых телах обычно возбуждают электроакустическими, магнитострикционными и пьезоэлектрическими преобразователями.
Свойства ультразвука.
Ультразвуковые волны (неслышимый звук) по своей природе не отличаются от волн слышимого диапазона и подчиняются тем же физическим законам. Но у ультразвука есть специфические особенности, которые и определили его широкое применение в науке и технике.
Распространение ультразвука — это процесс перемещения в пространстве и во времени возмущений. Ультразвуковая волна распространяется в веществе, находящемся в газообразном, жидком или твёрдом состоянии, в том же направлении, в котором происходит смещение частиц этого вещества, то есть она вызывает деформацию среды. Деформация заключается в том, что происходит последовательное разряжение и сжатие определённых объёмов среды, причём расстояние между двумя соседними областями соответствует длине ультразвуковой волны. Чем больше удельное акустическое сопротивление среды, тем больше степень сжатия и разряжения среды при данной амплитуде колебаний.
Поглощение ультразвуковых волн. Если среда, в которой происходит распространение ультразвука, обладает вязкостью и теплопроводностью или в ней имеются другие процессы внутреннего трения, то при распространении волны происходит поглощение звука, то есть по мере удаления от источника амплитуда ультразвуковых колебаний становится меньше, так же как и энергия, которую они несут. Среда, в которой распространяется ультразвук, вступает во взаимодействие с проходящей через него энергией и часть её поглощает. Преобладающая часть поглощенной энергии преобразуется в тепло, меньшая часть вызывает в передающем веществе необратимые структурные изменения. Поглощение является результатом трения частиц друг об друга, в различных средах оно различно. Поглощение зависит также от частоты ультразвуковых колебаний. Теоретически, поглощение пропорционально квадрату частоты.
Глубина проникновения ультразвуковых волн. Под глубиной проникновения ультразвука понимают глубину, при которой интенсивность уменьшается наполовину. Эта величина обратно пропорциональна поглощению: чем сильнее среда поглощает ультразвук, тем меньше глубина проникновения.
Рассеяние ультразвуковых волн. Если в среде имеются неоднородности, то происходит рассеяние и существенно может измениться картина распространения ультразвука.
Преломление ультразвуковых волн. На границе раздела сред с разной плотностью будет наблюдаться преломление ультразвуковых волн — изменение направления распространения.
Отражение ультразвуковых волн. Если ультразвук при распространении наталкивается на препятствие, то происходит отражение, если препятствие мало, то ультразвук его как бы обтекает.
Бегущие и стоячие ультразвуковые волны. Наложение падающих и отражающихся ультразвуковых волн может приводить к возникновению стоячих волн. Для возникновения стоячих волн расстояние от поверхности излучателя до отражающей поверхности должно быть кратным половине длины волны.
Кавитация акустическая. Ультразвуковая кавитация — образование и активность газовых или паровых пузырьков (полостей) в среде, облучаемой ультразвуком, а также эффекты, возникающие при их взаимодействии со средой и с акустическим полем. Природа кавитации связана с образованием в жидкости парогазовых полостей, которые впоследствии резко захлопываются, при этом возникают локальный нагрев и гидродинамические возмущения в виде микроударных волн, кумулятивных струек и микропотоков жидкости. В некоторых случаях ультразвуковая кавитация имеет вредные последствия, и тогда следует искать пути, чтобы предотвратить её появление. Так, возникая на поверхности акустических излучателей, кавитация разрушает эту поверхность.
Применение ультразвука.
Свойства ультразвука, наблюдаемые явления и определили основные направления применения ультразвука.
Применение ультразвука в медицине.
Диагностическое применение ультразвука в медицине (УЗИ). Благодаря хорошему распространению ультразвука в мягких тканях человека, его относительной безвредности по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией, ультразвук широко применяется для визуализации состояния внутренних органов человека, особенно в брюшной полости и полости таза
Терапевтическое применение ультразвука в медицине. Помимо широкого использования в диагностических целях, ультразвук применяется в медицине (в том числе регенеративной) в качестве инструмента лечения. Ультразвук обладает следующими эффектами: противовоспалительным, рассасывающим действиями; анальгезирующим, спазмолитическим действием; кавитационным усилением проницаемости кожи. Фонофорез — комбинированный метод лечения, при котором на ткани вместо обычного геля для ультразвуковой эмиссии (применяемого, например, при УЗИ) наносится лечебное вещество (как медикаменты, так и вещества природного происхождения). Ультразвук помогает лечебному веществу глубже проникать в ткани.
Гидролокация.
Гидролокация — это определение положения и параметров движения подводных объектов с помощью акустических волн, излучаемых самими объектами, либо отражённого ими излучения внешних источников звука (В конце первой мировой войны появилась одна из первых практических ультразвуковых систем, предназначенная для обнаружения подводных лодок К настоящему времени система, именуемая гидролокатором, или сонаром, стала неотъемлемым средством мореплавания. Если направить импульсное узкое ультразвуковое излучение в сторону дна и измерить время между посылом импульса и его возвратом, можно определить расстояние между излучателем и приемником. Основанные на этом сложные системы автоматической регистрации применяются для составления карт дна морей и океанов, а также русел рек. Соответствующие навигационные системы атомных подводных лодок позволяют им совершать безопасные переходы даже под полярными льдами. Объектами гидролокации могут быть навигационные препятствия природного происхождения, гидротехнические сооружения, затонувшие суда, полезные ископаемые, косяки рыб и отдельные представители морской фауны, подводные лодки, надводные корабли, торпеды, мины и пр.
Ультразвуковое измерение толщины.
Ультразвуковое измерение толщины является неразрушающим односторонним методом определения ширины материала и не требует доступа к двум сторонам предмета. Практически любой обычный конструкционный материал может быть измерен с помощью ультразвука. Ультразвуковые датчики могут быть настроены на металлы, пластики, композиты, стекловолокно, керамику и стекло. С помощью ультразвука также можно измерять уровни жидкости и толщину биологических образцов. Ультразвуковое измерение толщины в реальном масштабе времени или в процессе протекания технологических процессов также возможно при контроле объектов из штампованных пластиков или прокатных металлов. Ультразвуковыми средствами можно измерять толщину слоёв или покрытий в многослойных материалах. Принцип работы всех ультразвуковых толщиномеров заключается в измерении времени прохождения ультразвукового импульса очень высокой частоты через материал объекта контроля .
Применение в производстве.
На обычных металлорежущих станках нельзя просверлить в металлической детали узкое отверстие сложной формы, например в виде пятиконечной звезды. С помощью ультразвука это возможно, магнитострикционный вибратор может просверлить отверстие любой формы. Это дешевле и быстрее, чем фрезерным станком. Ультразвуком можно даже делать винтовую нарезку в металлических деталях, в стекле, в рубине, в алмазе. Обычно резьба сначала делается в мягком металле, а потом уже деталь подвергают закалке. На ультразвуковом станке резьбу можно делать в уже закалённом металле и в самых твёрдых сплавах. На ультразвуковом станке сложнейшую обработку производит абразив (наждак, корундовый порошок) в поле ультразвуковой волны. Беспрерывно колеблясь в поле ультразвука, частицы твёрдого порошка врезаются в обрабатываемый сплав и вырезают отверстие такой же формы, как и у долота.
Приготовление смесей с помощью ультразвука
Широко применяется ультразвук для приготовления однородных смесей (гомогенизации). Получаемые эмульсии играют большую роль в современной промышленности, это: лаки, краски, фармацевтические изделия, косметика. В 1927 году американские ученые Лимус и Вуд обнаружили, что если две несмешивающиеся жидкости (например, масло и воду) слить в одну мензурку и подвергнуть облучению ультразвуком, то в мензурке образуется эмульсия, то есть мелкая взвесь масла в воде.
Применение ультразвука в автомобильной отрасли.
В автомобильной области ультразвук применяют в заготовках и изделиях, выполненных практически из любых материалов. Производится контроль толщины, структуры, физико-механических свойств. Остановимся чуть подробнее на ультразвуковой дефектоскопии, ультразвуковом парктронике и ультразвуковой мойке.
Ультразвуковая дефектоскопия.
Ультразвуковая дефектоскопия— метод, основанный С.Я. Соколовым, позволяющий осуществлять поиск дефектов в материале изделия путём излучения и принятия ультразвуковых колебаний, отраженных от внутренних дефектов, и дальнейшего анализа их амплитуды, времени прихода, формы и других характеристик с помощью специального оборудования — ультразвукового дефектоскопа.
Ультразвуковая дефектоскопия позволяет выявлять дефекты, нарушающие цельность металла (трещины, раковины и пр.). Для получения ультразвука частотой более 0,5 МГц используются генераторы, состоящие из источника переменного электрического тока и пьезоэлектрического преобразователя. При ультразвуковой дефектоскопии применяется как прямой, так и обратный пьезоэлектрический эффект. Устройства, служащие при дефектоскопии для получения и ввода ультразвуковых волн в контролируемое изделие, называется излучающими искательными головками, а устройства преобразующие ультразвуки в переменный ток – приёмными искательными головками.
Ультразвуковой контроль не разрушает и не повреждает исследуемый образец, что является его главным преимуществом. Возможен контроль изделий из разнообразных материалов, как металлов, так и неметаллов. Кроме того, можно выделить высокую скорость исследования при низкой стоимости и опасности для человека (по сравнению с рентгеновской дефектоскопией) и высокую мобильность ультразвукового дефектоскопа.
Также к преимуществам ультразвуковой дефектоскопии относятся:
Высокая чувствительность, позволяющая выявить мелкие дефекты.
Большая проникающая способность, позволяющая обнаружить внутренние дефекты в крупногабаритных изделиях.
Возможность определения места и размеров дефекта.
Практически мгновенная индикация дефектов, позволяющая мотивировать контроль.
Возможность контроля при одностороннем доступе в изделия.
Простота и высокая производительность контроля.
Полная безопасность работы оператора и окружающего персонала.
К недостаткам дефектоскопии относится необходимость разработки специальных методик контроля отдельных типов деталей, необходимость сравнительно высокой чистоты обработки поверхности контролируемых объектов и наличие мёртвых зон‚ снижающих эффективность контроля. Кроме того, некоторые дефекты практически невозможно выявить ультразвуковым методом в силу их характера, формы или расположения в объекте контроля.
Применение ультразвуковой дефектоскопии. Применяется для поиска дефектов материала (поры, волосовины, различные включения, неоднородная структура и пр.) и контроля качества проведения работ — сварка, пайка, склейка и пр. Ультразвуковой контроль является обязательной процедурой при изготовлении и эксплуатации многих ответственных изделий, таких как части авиационных двигателей, трубопроводы атомных реакторов или железнодорожные рельсы.
Ультразвуковой датчик парковки.
Датчики парковки, как правило, установлены в задней части и по бокам автомобиля. Они действуют путём оценки расстояния между препятствием и датчиком, после чего система извещает водителя о полученных данных с помощью звукового и визуального сигнала. Ультразвуковой датчик — сенсорное устройство, преобразующее электрическую энергию в ультразвуковые волны. Он похож на радар. Принимая скорость звука за постоянную величину, ультразвуковой датчик определяет расстояние до объекта, которое соответствует интервалу времени между отправкой сигнала и возвращением его эха. В автомобилях ультразвуковые датчики используются в различных парковочных системах: парктронике, системе автоматической парковки. Несмотря на неоспоримые преимущества, ультразвуковой датчик парковки имеет серьёзные функциональные ограничения. Работоспособность датчика и, соответственно, точность показаний снижаются при загрязнении, в плохих погодных условиях (дождь, снег, лёд). Сенсор может пропустить мелкие предметы (стойки ограждения), поверхности, имеющие низкую отражающую способность. Датчик также может неверно работать при движении автомобиля по крутому склону, когда поверхность земли воспринимается как препятствие, причём для установки ультразвукового датчика требуется сделать отверстие в бампере. Именно из-за этих факторов данный вид датчика не очень популярен среди автомобилистов.
Принцип действия ультразвуковой мойки.
Ультразвуковая очистка – способ очистки поверхности твёрдых тел, основанный на возбуждении в моющем растворе колебаний ультразвуковой частоты. Для того чтобы очистить предметы в ультразвуковой мойке, нужно просто погрузить их в чашу с водой, в которую уже добавлено специальное моющее средство, и включить прибор. В основе работы очистительного устройства лежит явление кавитации, когда в жидкости за короткий промежуток времени образуются и тут же разрушаются миллионы мелких пузырьков воздуха. Этот процесс происходит вследствие чередования волн низкого и высокого давления под воздействием ультразвука. Воздушные пузырьки, соприкасаясь с поверхностью обрабатываемых предметов, разрываются, создавая множество маленьких ударных волн Благодаря этому происходит глубокая очистка инструментов, деталей и пр. Ультразвуковая очистка позволяет заменить ручной труд, ускорив тем самым процесс очистки, получить высокую степень чистоты поверхности, практически исключить использование пожароопасных и токсичных растворителей.
13-14 .12.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА «Интерференция и дифракция механических волн.»
Волна, бегущая по резиновому жгуту или струне ,отражается от неподвижно закрепленного конца; при этом появляется волна, бегущая во встречном направлении.
При наложении волн может наблюдаться явление интерференции. Явление интерференции возникает при наложении когерентных волн.
Когерентными называют волны, имеющие одинаковые частоты, постоянную разность фаз, а колебания происходят в одной плоскости.
Интерференцией называется постоянное во времени явление взаимного усиления и ослабления колебаний в разных точках среды в результате наложения когерентных волн.
Результат суперпозиции волн зависит от того, в каких фазах накладываются друг на друга колебания.
Если волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах, то произойдет усиление колебаний; если же – в противоположных фазах, то наблюдается ослабление колебаний. В результате в пространстве образуется устойчивая картина чер
Условия максимума и минимума
волн.
Если разность хода этих волн равна целому числу волн (т. е. четному числу полуволн) Δd = kλ, где k = 0, 1, 2, ..., то в точке наложения этих волн образуется интерференционный максимум.
Условие максимума:
Условие минимума
Если разность хода этих волн равна нечетному числу полуволн, то это означает, что волны от точек А и Б придут в точку С в противофазе и погасят друг друга.
Условие минимума:
Если Δd не равно целому числу полуволн, то 0 < А < 2х0.
Дифракция волн.
Явление отклонения от прямолинейного распространения и огибание волнами препятствий называется дифракцией.
Соотношение между длиной волны (λ) и размерами препятствия (L) определяет поведение волны. Дифракция наиболее отчетливо проявляется, если длина набегающей волны больше размеров препятствия. Опыты показывают, что дифракция существует всегда, но становится заметной при условии d<<λ, где d – размер препятствия.
Дифракция – общее свойство волн любой природы, которая происходит всегда, но условия её наблюдения разные.
Волна на поверхности воды распространяется в сторону достаточно большого препятствия, за которым образуется тень, т.е. волнового процесса не наблюдается. Такое свойство используется при устройстве волноломов в портах. Если же размеры препятствия сравнимы с длиной волны, то за препятствием будет наблюдаться волнение. Позади него волна распространяется так, как будто препятствия не было вовсе, т.е. наблюдается дифракция волны.
Примеры проявления дифракции. Слышимость громкого разговора за углом дома, звуки в лесу, волны на поверхности воды.
Колебания струны. В закрепленной с обоих концов натянутой струне при возбуждении поперечных колебаний устанавливаются стоячие волны, причем в местах закрепления струны должны располагаться узлы. Поэтому в струне возбуждаются с заметной интенсивностью только такие колебания, половина длины волны которых укладывается на длине струны целое число раз.
ЗАДАНИЕ.
1 ОТВЕТИТЬ НА ВОПРОСЫ:
1.Что называется интерференцией волн?
2.При каких условиях она наблюдается?
3.Какие волны называются когерентными?
4.Каковы основные черты интерференционной картины?
5.Что происходит с энергией волн при их интерференции
6. Что называется дифракцией?
7. Когда наиболее отчётливо проявляется дифракция?
09.12.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА «МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ, ВИДЫ ВОЛН».
Механические волны - это процесс распространения в пространстве колебаний частиц упругой среды (твёрдой, жидкой или газообразной).
Наличие у среды упругих свойств является необходимым условием распространения волн: деформация, возникающая в каком-либо месте, благодаря взаимодействию соседних частиц последовательно передаётся от одной точки среды к другой. Различным типам деформаций будут соответствовать разные типы волн.
Продольные и поперечные волны.
Волна называется продольной, если частицы среды колеблются параллельно направлению распространения волны. Продольная волна состоит из чередующихся деформаций растяжения и сжатия.
Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечная волна вызывается деформациями сдвига одного слоя среды относительно другого
Продольные волны могут распространяться в твёрдых телах, жидкостях и газах: во всех этих средах возникает упругая реакция на сжатие, в результате которой появятся бегущие друг за другом сжатия и разрежения среды.
Однако жидкости и газы, в отличие от твёрдых тел, не обладают упругостью по отношению к сдвигу слоёв. Поэтому поперечные волны могут распространяться в твёрдых телах, но не внутри жидкостей и газов*.
Важно отметить, что частицы среды при прохождении волны совершают колебания вблизи неизменных положений равновесия, т. е. в среднем остаются на своих местах. Волна, таким образом, осуществляет перенос энергии, не сопровождающийся переносом вещества.
Наиболее просты для изучения гармонические волны. Они вызываются внешним воздействием на среду, меняющимся по гармоническому закону. При распространении гармонической волны частицы среды совершают гармонические колебания с частотой, равной частоте внешнего воздействия. Гармоническими волнами мы в дальнейшем и ограничимся.
Рассмотрим процесс распространения волны более подробно. Допустим, что некоторая частица среды (частица 1) начала совершать колебания с периодом Т. Действуя на соседнюю частицу N + 1 она потянет её за собой. Частица N +1в свою очередь, потянет за собой частицу N + 2 и т. д. Так возникнет волна, в которой все частицы будут совершать колебания с периодом T .
Однако частицы имеют массу, т. е. обладают инертностью. На изменение их скорости требуется некоторое время. Следовательно, частица 1
в своём движении будет несколько отставать от частицы N +1, частица N +2 будет отставать от частицы N+1 и т. д. Итак, за время, равное периоду колебаний частиц, возмущение среды распространяется на расстояние. λ Это расстояние называется длиной волны. Колебания частицы будут идентичны колебаниям частицы колебания следующей частицы N + 1будут идентичны колебаниям частицы N + 2и т. д. Колебания как бы воспроизводят себя на расстоянии λ можно назвать пространственным периодом колебаний; наряду с временным периодом T она является важнейшей характеристикой волнового процесса. В продольной волне длина волны равна расстоянию между соседними сжатиями или разрежениями В поперечной - расстоянию между соседними горбами или впадинами . Вообще, длина волны равна расстоянию (вдоль направления распространения волны) между двумя ближайшими частицами среды, колеблющимися одинаково (т. е. с разностью фаз, равной 2π ).
Скоростью распространения волны называется отношение длины волны к периоду колебаний частиц среды:
v = λ/ T
Частотой волны называется частота колебаний частиц:
ύ = 1/Т = N/ t
Отсюда получаем связь скорости волны, длины волны и частоты:
V = λύ = λ /Т.
На поверхности жидкости могут существовать волны особого типа, похожие на поперечные - так называемые поверхностные волны. Они возникают под действием силы тяжести и силы поверхностного натяжения. |
Звук.
Звуковыми волнами в широком смысле называются всякие волны, распространяющиеся в упругой среде. В узком смысле звуком называют звуковые волны в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, воспринимаемые человеческим ухом. Ниже этого диапазона лежит область инфразвука, выше - область ультразвука.
К основным характеристикам звука относятся громкость и высота.
Громкость звука определяется амплитудой колебаний давления в звуковой волне и измеряется в специальных единицах -децибелах (дБ). Так, громкость 0 дБ является порогом слышимости, 10 дБ - тиканье часов, 50 дБ - обычный разговор, 80 дБ - крик, 130 дБ - верхняя граница слышимости (так называемый болевой порог).
Тон - это звук, который издаёт тело, совершающее гармонические колебания (например, камертон или струна). Высота тона определяется частотой этих колебаний: чем выше частота, тем выше нам кажется звук. Так, натягивая струну, мы увеличиваем частоту её колебаний и, соответственно, высоту звука.
Скорость звука в разных средах различна: чем более упругой является среда, тем быстрее в ней распространяется звук. В жидкостях скорость звука больше, чем в газах, а в твёрдых телах - больше, чем в жидкостях.
Например, скорость звука в воздухе при 00 С равна примерно 340 м/с (её удобно запомнить как "треть километра в секунду")*. В воде звук распространяется со скоростью около 1500 м/с, а в стали - около 5000 м/с.
Заметим, что частота звука от данного источника во всех средах одна и та же: частицы среды совершают вынужденные колебания с частотой источника звука. Согласно формуле (1) заключаем тогда, что при переходе из одной среды в другую наряду со скоростью звука изменяется длина звуковой волны.
ЗАДАНИЕ
1. ОТВЕТЬТЕ НА ВОПРОСЫ:
А) Что называется волной?
Б) Назовите виды волн. Какие волны называются продольными, какие поперечными?
В) В каких средах распространяются волны? (продольные и поперечные)
Г) Какие величины характеризуют распространение волн?
Д) Что такое скорость волны? От чего она зависит? Где будет больше скорость распространения волны: в твёрдых веществах или жидкости?
Е) Что значит «ультразвук», «инфразвук»?
Ж) В каких диапазонах частот находится звук, который мы слышим?
З) Что такое тон и громкость звука?
И) Что называется болевым порогом?
2. Подготовьте рефераты на тему «Неслышимые звуки :ультразвук инфразвук»
ГРУППА 308. ФИЗИКА. ТЕМА «МЕХАНИЧЕСКИЕ ВОЛНЫ, ВИДЫ ВОЛН».
Механические волны - это процесс распространения в пространстве колебаний частиц упругой среды (твёрдой, жидкой или газообразной).
Наличие у среды упругих свойств является необходимым условием распространения волн: деформация, возникающая в каком-либо месте, благодаря взаимодействию соседних частиц последовательно передаётся от одной точки среды к другой. Различным типам деформаций будут соответствовать разные типы волн.
Продольные и поперечные волны.
Волна называется продольной, если частицы среды колеблются параллельно направлению распространения волны. Продольная волна состоит из чередующихся деформаций растяжения и сжатия.
Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются перпендикулярно направлению распространения волны. Поперечная волна вызывается деформациями сдвига одного слоя среды относительно другого
Продольные волны могут распространяться в твёрдых телах, жидкостях и газах: во всех этих средах возникает упругая реакция на сжатие, в результате которой появятся бегущие друг за другом сжатия и разрежения среды.
Однако жидкости и газы, в отличие от твёрдых тел, не обладают упругостью по отношению к сдвигу слоёв. Поэтому поперечные волны могут распространяться в твёрдых телах, но не внутри жидкостей и газов*.
Важно отметить, что частицы среды при прохождении волны совершают колебания вблизи неизменных положений равновесия, т. е. в среднем остаются на своих местах. Волна, таким образом, осуществляет перенос энергии, не сопровождающийся переносом вещества.
Наиболее просты для изучения гармонические волны. Они вызываются внешним воздействием на среду, меняющимся по гармоническому закону. При распространении гармонической волны частицы среды совершают гармонические колебания с частотой, равной частоте внешнего воздействия. Гармоническими волнами мы в дальнейшем и ограничимся.
Рассмотрим процесс распространения волны более подробно. Допустим, что некоторая частица среды (частица 1) начала совершать колебания с периодом Т. Действуя на соседнюю частицу N + 1 она потянет её за собой. Частица N +1в свою очередь, потянет за собой частицу N + 2 и т. д. Так возникнет волна, в которой все частицы будут совершать колебания с периодом T .
Однако частицы имеют массу, т. е. обладают инертностью. На изменение их скорости требуется некоторое время. Следовательно, частица 1в своём движении будет несколько отставать от частицы N +1, частица N +2 будет отставать от частицы N+1 и т. д. Итак, за время, равное периоду колебаний частиц, возмущение среды распространяется на расстояние. λ Это расстояние называется длиной волны. Колебания частицы будут идентичны колебаниям частицы колебания следующей частицы N + 1будут идентичны колебаниям частицы N + 2и т. д. Колебания как бы воспроизводят себя на расстоянии λ можно назвать пространственным периодом колебаний; наряду с временным периодом T она является важнейшей характеристикой волнового процесса. В продольной волне длина волны равна расстоянию между соседними сжатиями или разрежениями В поперечной - расстоянию между соседними горбами или впадинами . Вообще, длина волны равна расстоянию (вдоль направления распространения волны) между двумя ближайшими частицами среды, колеблющимися одинаково (т. е. с разностью фаз, равной 2π ).
Скоростью распространения волны называется отношение длины волны к периоду колебаний частиц среды:
v = λ/ T
Частотой волны называется частота колебаний частиц:
ύ = 1/Т = N/ t
Отсюда получаем связь скорости волны, длины волны и частоты:
V = λύ = λ /Т.
На поверхности жидкости могут существовать волны особого типа, похожие на поперечные - так называемые поверхностные волны. Они возникают под действием силы тяжести и силы поверхностного натяжения. |
Звук.
Звуковыми волнами в широком смысле называются всякие волны, распространяющиеся в упругой среде. В узком смысле звуком называют звуковые волны в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, воспринимаемые человеческим ухом. Ниже этого диапазона лежит область инфразвука, выше - область ультразвука.
К основным характеристикам звука относятся громкость и высота.
Громкость звука определяется амплитудой колебаний давления в звуковой волне и измеряется в специальных единицах -децибелах (дБ). Так, громкость 0 дБ является порогом слышимости, 10 дБ - тиканье часов, 50 дБ - обычный разговор, 80 дБ - крик, 130 дБ - верхняя граница слышимости (так называемый болевой порог).
Тон - это звук, который издаёт тело, совершающее гармонические колебания (например, камертон или струна). Высота тона определяется частотой этих колебаний: чем выше частота, тем выше нам кажется звук. Так, натягивая струну, мы увеличиваем частоту её колебаний и, соответственно, высоту звука.
Скорость звука в разных средах различна: чем более упругой является среда, тем быстрее в ней распространяется звук. В жидкостях скорость звука больше, чем в газах, а в твёрдых телах - больше, чем в жидкостях.
Например, скорость звука в воздухе при 00 С равна примерно 340 м/с (её удобно запомнить как "треть километра в секунду")*. В воде звук распространяется со скоростью около 1500 м/с, а в стали - около 5000 м/с.
Заметим, что частота звука от данного источника во всех средах одна и та же: частицы среды совершают вынужденные колебания с частотой источника звука. Согласно формуле (1) заключаем тогда, что при переходе из одной среды в другую наряду со скоростью звука изменяется длина звуковой волны.
ЗАДАНИЕ
1. ОТВЕТЬТЕ НА ВОПРОСЫ:
А) Что называется волной?
Б) Назовите виды волн. Какие волны называются продольными, какие поперечными?
В) В каких средах распространяются волны? (продольные и поперечные)
Г) Какие величины характеризуют распространение волн?
Д) Что такое скорость волны? От чего она зависит? Где будет больше скорость распространения волны: в твёрдых веществах или жидкости?
Е) Что значит «ультразвук», «инфразвук»?
Ж) В каких диапазонах частот находится звук, который мы слышим?
З) Что такое тон и громкость звука?
И) Что называется болевым порогом?
2. Подготовьте рефераты на тему «Неслышимые звуки :ультразвук инфразвук»
УРОК №27
14.12.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА. «РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ»
Формулы, используемые на уроках «Задачи на Механические колебания».
Название величины | Обозначение | Единица измерения | Формула |
Амплитуда колебаний | A | м | |
Период колебаний | T | с | T = 1 / v ; T = t / N |
Частота колебаний | v | Гц | v = 1 / T ; v = N / t |
Число колебаний за какое-то время | N | N = t /T ; N = vt | |
Время | t | с | t = NT ; t = N / v |
Циклическая частота колебаний | ω | Гц | |
Период колебаний пружинного маятника | T | C | |
Период колебаний математического маятника | T | C | |
Уравнение гармонических колебаний | x(t) = Asin(ωt+φ0) |
ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ
Задача № 1. Шарик на нити совершил 60 колебаний за 2 мин. Определите период и частоту колебаний шарика.
Задача № 2. На рисунке изображен график зависимости координаты от времени колеблющегося тела.
По графику определите: 1) амплитуду колебаний; 2) период колебаний; 3) частоту колебаний; 4) запишите уравнение координаты запишите уравнение координаты.
Задача № 3. Амплитуда незатухающих колебаний точки струны 2 мм, частота колебаний 1 кГц. Какой путь пройдет точка струны за 0,4 с? Какое перемещение с овершит эта точка за один период колебаний?
Задача № 4. Пользуясь графиком изменения координаты колеблющегося тела от времени, определить амплитуду, период и частоту колебаний. Записать уравнение зависимости x(t) и найти координату тела через 0,1 и 0,2 с после начала отсчета времени.
Задача № 5. Какова длина математического маятника, совершающего гармонические колебания с частотой 0,5 Гц на поверхности Луны? Ускорение свободного падения на поверхности Луны 1,6 м/с2.
Задача № 6. Груз массой 400 г совершает колебания на пружине с жесткостью 250 . .Н/м. Амплитуда колебаний 15 см. Найти полную механическую энергию колебаний и наибольшую скорость движения груза.
Задача № 7. Гармоническое колебание описывается уравнением
Задача № 8. Математический маятник длиной 0,99 м совершает 50 полных колебаний за 1 мин 40 с. Чему равно ускорение свободного падения в данном месте на поверхности Земли? (Можно принять π2 = 9,87.)
Задача № 9. Как и во сколько раз изменится период колебаний пружинного маятника, если шарик на пружине заменить другим шариком, радиус которого вдвое меньше, а плотность — в два раза больше?
Краткая теория для решения задач на Механические колебания.
ЗАДАНИЕ:
1. Пользуясь графиком определить амплитуду колебания, период, частоту. Записать уравнение данного колебания.
2. Внимательно прочтите сообщение, запишите решения предложенных задач.
УРОК № 26
07.12.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА «Вынужденные колебания. Резонанс»
Как получить незатухающие колебания, — те, которые могут длиться неограниченно долго? Для этого на колебательную систему должна действовать внешняя периодическая сила. Такие колебания называются вынужденными.
Работа внешней силы над системой обеспечивает приток энергии к системе извне, который не дает колебаниям затухнуть, несмотря на действие сил трения. Например, раскачивание ребенка на качелях. Качели — это маятник, т. е. колебательная система с определенной собственной частотой. Если начать в правильном ритме подталкивать качели, то можно без большого напряжения раскачать их очень сильно. При этом произойдет накопление результатов действия отдельных толчков, и амплитуда колебаний качелей станет большой. В этом случае возникает возможность увеличения амплитуды колебаний системы, способной совершать почти свободные колебания, при совпадении частоты внешней периодической силы с собственной частотой колебательной системы. Спустя некоторое время колебания качелей приобретут установившийся характер: их амплитуда перестанет изменяться со временем.
При установившихся вынужденных колебаниях частота колебаний всегда равна частоте внешней периодически действующей силы.
Рассмотрим некоторые особенности вынужденных колебаний.
1) Внешнее воздействие навязывает системе свой закон колебаний: так, если значение внешней силы изменяется по закону синуса (или косинуса), то вынужденные колебания будут являться гармоническими. Обратите внимание на то, что между вынужденными колебаниями и колебаниями внешней силы существует разность фаз.
2) Частота вынужденных колебаний равна частоте изменения вынуждающей силы.
3) Амплитуда вынужденных колебаний тем больше, чем больше амплитуда вынуждающей силы.
4) Амплитуда вынужденных колебаний зависит от частоты вынуждающего воздействия, она достигает максимального значения при совпадении частоты вынужденных колебаний с собственной частотой, то есть с частотой свободных колебаний системы. При частоте вынуждающей силы, приближающейся к собственной частоте колебаний системы, амплитуда колебаний растет, а при больших частотах — уменьшается.
Как амплитуда установившихся вынужденных колебаний зависит от частоты внешней силы?
При увеличении частоты внешней силы амплитуда колебаний постепенно возрастает. Она достигает максимума, когда частота вынужденных колебаний становится равной частоте внешней периодически действующей силы. При дальнейшем увеличении частоты амплитуда установившихся колебаний уменьшается.
Резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты изменения внешней силы, действующей на систему, с частотой ее свободных колебаний называется резонансом.
Почему возникает резонанс? При резонансе внешняя сила действует в такт со свободными колебаниями. Ее направление совпадает с направлением скорости маятника, поэтому эта сила совершает только положительную работу. При установившихся колебаниях положительная работа внешней силы равна по модулю отрицательной работе силы сопротивления.
Большое влияние на резонанс оказывает трение в системе. Чем меньше коэффициент трения, тем больше амплитуда установившихся колебаний. Изменение амплитуды вынужденных колебаний в зависимости от трения: кривая 1 - минимальное трение, кривая 3 — максимальное трение. Возрастание амплитуды вынужденных колебаний при резонансе выражено тем отчетливее, чем меньше трение в системе. При малом трении резонанс «острый», а при большом «тупой».
Согласно закону сохранения энергии вызвать в системе колебания с большой амплитудой при небольшой внешней силе можно только за продолжительное время. Если трение велико, то амплитуда колебаний будет небольшой, и для установления колебаний не потребуется много времени.
Воздействие резонанса и борьба с ним
Если колебательная система находится под действием внешней периодической силы, и если частота этих периодических усилий совпадает с частотой свободных колебаний системы, то может наступить резонанс и резкое увеличение амплитуды колебаний.
Любое упругое тело, будь то мост, вал двигателя, корпус корабля, представляет собой колебательную систему и характеризуется собственными частотами колебаний.
В то же время железо, сталь и другие материалы при переменных нагрузках со временем теряют прочность, после чего внезапно разрушаются.
Обычно принимаются специальные меры, чтобы не допустить наступления резонанса или ослабить его действие. Для этого увеличивают трение или же добиваются, чтобы собственные частоты колебаний не совпадали с частотой внешней силы. Известны случаи, когда приходилось перестраивать океанские лайнеры, чтобы уменьшить вибрацию. Или при переходе через мост воинским частям запрещается идти в ногу, т.к. строевой шаг приводит к периодическому воздействию на мост.
Вопросы для закрепления.
1. Какие колебания называются вынужденными?
2. Как происходят вынужденные колебания, под действием каких сил?.)
3. Как зависит частота вынужденных колебаний от частоты вынуждающей силы?
4. Что мы называем явлением резонанса?
5. Из-за чего возникает явление резонанс?.)
6. Какую роль играет явление резонанса
7. Приведите примеры явление резонанса.
УРОК №25
(Лабораторная
работа - дистанционная выполняется в домашних условиях)
Цель: Определить ускорение
свободного падения с помощью маятника.
Оборудование: часы с
секундной стрелкой, линейка, шарик, штатив с муфтой, нить
Задание 1: Ответьте на вопросы (1 балл)
1.
Запишите формулу периода, частоты колебаний
2.
Что называется математическим, пружинным маятником.
3.
Запишите формулу пружинного маятника.
4.
Запишите формулу математического маятника.
5. Какие колебания называются свободными, какие вынужденными?..
Порядок выполнения работы:
1.
Установить на краю стола штатив.
2.
На муфту штатива повесить шарик на нити. Он должен висеть на расстоянии 1-2см
от пола.
3.
Измерить линейкой длину l маятника.
4.
Отклонить шарик в сторону на 5-8 см и отпустить его.
5.
Измерить время t 20 колебаний маятника. Результаты занести в таблицу
6.
Определить по формуле период колебаний 
7.
Из формулы для периода математического маятника, выразить ускорение свободного падения и рассчитать: g=
8.
Определить среднее значение gсреднее и сравнить его с ускорением
свободного падения равным 9,8 м/с2.
Таблица
1.
|
N п/п |
l,м |
N, колебаний |
t, с |
T,с |
g м/с2 |
gсреднее |
|
1 |
1 |
5 |
11 |
2, 2 |
8,1 |
9,76 |
|
2 |
10 |
20 |
2, 0 |
9,86 |
||
|
3 |
15 |
28 |
1, 9 |
10,7 |
||
|
4 |
20 |
39 |
1, 95 |
10,3 |
||
|
5 |
25 |
51 |
2, 0 |
9,86 |
Таблица
2.
|
N п/п |
l,м |
N, колебаний |
t, с |
T |
g |
gсреднее |
|
1 |
1,5 |
10 |
24,6 |
|
|
|
|
2 |
20 |
50 |
|
|
||
|
3 |
30 |
74 |
|
|
||
|
4 |
40 |
97,4 |
|
|
||
|
5 |
50 |
121 |
|
|
Задание
3. Заполните таблицу (1 балл)
Подгруппа
1
|
Местоположение математического маятника |
Ускорение свободного падения, м/с2 |
Длина маятника, м |
Период колебаний, с |
Частота Колебаний, Гц |
|
Луна |
1,62 |
0,9 |
|
|
|
Венера |
8,88 |
0,95 |
|
|
|
Марс |
3,86 |
1,2 |
|
|
|
Нептун |
11,09 |
1,4 |
|
|
|
Экватор Земли |
9,78 |
1 |
|
|
Подгруппа
2
|
Местоположение математического маятника |
Ускорение свободного падения, м/с2 |
Длина маятника, м |
Период колебаний, с |
Частота Колебаний, Гц |
|
Юпитер |
23,95 |
1 |
|
|
|
Уран |
8,86 |
0,9 |
|
|
|
Сатурн |
10,44 |
0,95 |
|
|
|
Меркурий |
3,74 |
1,3 |
|
|
|
Полюс Земли |
9,832 |
1,45 |
|
|
Вычисления: ВЫПОЛНИТЕ ВЫЧИСЛЕНИЯ ДЛЯ
ОДНОЙ ГРУППЫ (ЛЮБОЙ)
Пример: (группа 1задание)
T1=t / N
T2= 20 / 10
T3 =28 /15
T4 =39 / 20
T5 =51/ 25
Ускорение свободного падения определяем по формуле:
g1 = 8, 1 м/с2 g4 = 10 ,3м/с2
g2=
g3 =
В третьем задании находите период, аналогично заданию1, а частоту находите из формулы:
ν =
А теперь рассчитаем
погрешность измерения для ускорения свободного падения g
έ = 0,04
или в процентах έ =4%
ВЫВОДЫ: (пишите, исходя из цели), а потом, исходя из
третьего задания, сделайте вывод, как зависят период и частота колебания от
длины нити маятника для различных планет.
ЖЕЛАЮ УСПЕХА! (для расчёта ускорения свободного падения воспользуйтесь формулой из урока №24
УРОК №24
30.11.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА Тема «Свободные колебания» (математический и пружинный маятники)
Свободные колебания – колебания, которые совершает тело под действием внутренних сил системы за счет начального запаса энергии после того как его вывели из положения устойчивого равновесия.
Условия возникновения свободных колебаний:
при выведении тела из положения равновесия должна возникнуть сила, стремящаяся вернуть его в положение равновесия;
силы трения в системе должны быть достаточно малы. При наличии сил трения свободные колебания будут затухающими.
При наличии сил трения свободные колебания будут затухающими.
Затухающие колебания – это колебания, амплитуда которых с течением времени уменьшается.
Математический маятник – это материальная точка, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити.
Период колебаний математического маятника:
Частота колебаний мате
матического маятника:
Циклическая частота колебаний математического маятника:
Максимальное значение скорости колебаний математического маятника:
Период ободных колебаний математического маятника, движущегося вверх с ускорением или вниз с замедлением
Период свободных колебаний математического маятника, движущегося вниз с ускорением или вверх с замедлением:
Пружинный маятник – это тело, подвешенное на пружине и совершающее колебания вдоль вертикальной или горизонтальной оси под действием силы упругости пружины.
Частота колебаний пружинного маятника:
Циклическая частота колебаний пружинного маятника:
Максимальное значение скорости колебаний пружинного маятника:
Мгновенную потенциальную энергию пружинного маятника можно найти по формуле:
Амплитуда потенциальной энергии – максимальное значение потенциальной энергии, величина, стоящая перед знаком синуса или косинуса:
Важно!
Если маятник не является ни пружинным, ни математическим (физический маятник), то его циклическую частоту, период и частоту колебаний по формулам, применимым к математическому и пружинному маятнику, рассчитать нельзя. В данном случае эти величины рассчитываются из формулы силы, действующей на маятник, или из формул энергий.
ЗАДАНИЕ:
1. Сделайте конспект, ответив на вопросы:
А) Какие колебания называются свободными? Приведите примеры.
Б) Какие условия необходимы для возникновения колебаний?
В) Что такое математический маятник?
Г) Запишите формулы периода, частоты, циклической частоты, максимальной скорости и максимального ускорения для колебаний математического маятника и пружинного маятников .
УРОК №23
25.11.2022г. ГРУППА 401. Физика. Тема «Механические колебания. Гармонические колебания»
В технике и окружающем нас мире часто приходится сталкиваться с периодическими процессами, которые повторяются через одинаковые промежутки времени. Такие процессы называют колебательными. Колебаниями называют изменения физической величины, происходящие по определенному закону во времени. Колебательные явления различной физической природы подчиняются общим закономерностям. Например, колебания тока в электрической цепи и колебания математического маятника могут описываться одинаковыми уравнениями. Общность колебательных закономерностей позволяет рассматривать колебательные процессы различной природы с единой точки зрения.
Механическими колебаниями называют движения тел, повторяющиеся точно через одинаковые промежутки времени. Примерами простых колебательных систем могут служить груз на пружине или математический маятник. Для существования в системе гармонических колебаний необходимо, чтобы у нее было положение устойчивого равновесия, то есть такое положение, при выведении из которого на систему начала бы действовать возвращающая сила.
Механические колебания, как и колебательные процессы любой другой физической природы, могут быть свободными и вынужденными. Свободные колебания совершаются под действием внутренних сил системы, после того, как система была выведена из состояния равновесия. Колебания груза на пружине или колебания маятника являются свободными колебаниями. Колебания, происходящие под действием внешних периодически изменяющихся сил, называются вынужденными.
Простейшим видом колебательного процесса являются колебания, происходящие по закону синуса или косинуса, называемые гармоническими колебаниями. Уравнение, описывающее физические системы способные совершать гармонические колебания с циклической частотой ω0 задаётся следующим образом:
Х = А Sin (ω0t + φ0)
T = t / N
Физическая величина, обратная периоду колебаний, называется частотой колебаний: V = N t
Частота колебаний ν показывает, сколько колебаний совершается за 1 с. Единица частоты – Герц (Гц). Частота колебаний связана с циклической частотой ω и периодом колебаний T соотношениями
ω = 2πv = 2π /Т
Максимальные по модулю значения скорости υm = ωA достигаются в те моменты времени, когда тело проходит через положения равновесия (x = 0). Аналогичным образом определяется ускорение a = ax тела при гармонических колебаниях. Зависимость ускорения от времени при гармонических механических колебаниях:
a= - ω20 х
Знак минус в предыдущем выражении означает, что ускорение a(t) всегда имеет знак, противоположный знаку смещения x(t), и, следовательно, возвращает тело в начальное положение (x = 0), т.е. заставляет тело совершать гармонические колебания.
Следует обратить внимание на то, что:
- физические свойства колебательной системы определяют только собственную частоту колебаний ω0 или период T.
- Такие параметры процесса колебаний, как амплитуда A = xm и начальная фаза φ0, определяются способом, с помощью которого система была выведена из состояния равновесия в начальный момент времени, т.е. начальными условиями.
- При колебательном движении тело за время, равное периоду, проходит путь, равный 4 амплитудам. При этом тело возвращается в исходную точку, то есть перемещение тела будет равно нулю.
ПРИМЕР
Указать, в чем различие колебательных движений, графики которых представлены на рисунке. Определить амплитуду и период колебаний для каждого случая. Записать уравнения колебаний.  | |
Колебательные движения, представленные на графиках, отличаются амплитудами и фазами. В случае а) амплитуда 0,2 м, в случае б) амплитуда 0,1м. Период колебаний в случае а) 4 с и циклическая частота: ω = 2π / Т = 2π /4 = 0,5π Период колебаний в случае б) 2 с, и циклическая частота: ω = π Начальные фазы в обоих случаях равны нулю. Уравнение гармонических колебаний в общем виде: Х = А sin(ω0 t + φ0) В случае а): Х = 0,2 Sin 0, 5t В случае б): Х = 0,1 Sinπt |
ЗАДАНИЕ
1. Сделать конспект темы, выделив определения и формулы.
2. Ответить на вопросы:
- какие колебания называются свободными? Привести примеры.
- что такое гармонические колебания?
-Как записывается уравнение гармонических колебаний? Что обозначают:
Х, А, ω, t ?
- Что называется фазой колебания?
- Что такое период колебания (формула, обозначение, единица измерения)
- Что называется частотой колебания (формула, обозначение, единица измерения). Как связана она с периодом?
- Что такое амплитуда колебания?
3. Запишите уравнение колебания системы, если Амплитуда равна 100, циклическая частота ω = 4π; начальная фаза колебания равна 0. Постройте график для этого колебания.
-
УРОК №22
25 .11.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. Контрольная работа по теме «ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ»
Чтобы выполнить эту контрольную работу , вам необходимо повторить вопросы и выписать основные формулы:
1.Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Направление вектора магнитной индукции.
2.Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера. Правило левой руки.
3. Действие магнитного поля на заряженную частицу. Сила Лоренца.
4 Электромагнитная индукция. Магнитный поток.
5. Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции.
6. Явление самоиндукции. Индуктивность. ЭДС самоиндукции.
ЛИТЕРАТУРА: учебник «ФИЗИКА 11» авторы: Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; параграфы 1 – 11, стр. 5 – 49.
ВАРИАНТ 1.
1. Магнитное поле может создаваться:
А) неподвижной частицей; б) неподвижной наэлектризованной палочкой
В) проводом, по которому течёт ток; г)движущейся нейтральной частицей
2.Изолированный провод намотали на железный стержень и пропустили по нему ток. Это устройство можно использовать как:
А) электродвигатель б) электроскоп в) электромагнит г) электромагнитное реле.
3. Постоянный магнит может притягивать:
А) медные опилки; б) маленькие кусочки бумаги; в)железные опилки; г) древесные стружки
4. Параллельные проводники, у которых направление электрического тока одинаково:
А) притягиваются друг к другу; б) отталкиваются друг от друга, в) разворачиваются друг относительно друга на 900; г) разворачиваются друг относительно друга на 1800.
5. В замкнутом контуре возникает ЭДС индукции, если:
А) контур находится в постоянном магнитном поле
Б) по контуру протекает постоянный электрический ток
В) контур находится в постоянном электрическом поле
Г) изменяется магнитный поток через площадь контура.
6.Какя из формул является записью закона электромагнитной индукции?
А) Ei = - ∆Ф / ∆ t ; б) Ф = BS ; в) Ei =- Aст. / q ; г) Ei = I (R +r)
7. Электрон движется перпендикулярно линиям индукции магнитного поля со скоростью 100 км/с. Чему равна сила Лоренца, действующая на электрон, если индукция поля 200 мТл? (заряд электрона –q =1,6∙ 10-19 Кл)
8.Прямой проводник расположен в однородном магнитном поле с индукцией 0,2 Тл перпендикулярно линиям индукции. С какой силой действует поле на проводник, если его длина равна 5 см, а сила тока в нём равна 4 А?
\9.Линии магнитной индукции однородного магнитного поля образуют угол 600 с вертикалью. Найдите магнитный поток через горизонтальную квадратную проволочную рамку со стороной 5 см, если модуль вектора магнитной индукции равен 60 мТл.
10. Установите соответствие «вид поля – объекты, вызывающие в данной системе отсчёта возникновение поля».
А) Магнитное поле 1. Все заряженные частицы
Б) Вихревое электрическое поле 2. Неподвижные заряженные частицы
В) Электростатическое поле 3. Изменяющееся магнитное поле
4. Движущиеся заряженные частицы
Задача.
Электрическое сопротивление катушки R равно 0,5 Ом, индукционный ток, возникший в катушке при изменении напряжения источника тока I =140 мкА. Катушка содержит 20 витков провода. Определите скорость изменения магнитного потока через каждый из витков катушки.
УРОК №20-21
23.11.2022 ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА «САМОИНДУКЦИЯ. ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ»
Основы электродинамики были заложены Ампером в 1820 году. Работы Ампера вдохновили многих инженеров на конструирование различных технических устройств, таких как электродвигатель (конструктор Б.С. Якоби), телеграф (С. Морзе), электромагнит, конструированием которого занимался известный американский ученый Генри. Джозеф Генри прославился благодаря созданию серии уникальных мощнейших электромагнитов с подъемной силой от 30 до 1500 кг при собственной массе магнита 10 кг. Создавая различные электромагниты, в 1832 году ученый открыл новое явление в электромагнетизме – явление самоиндукции.
Генри изобретал плоские катушки из полосовой меди, с помощью которых добивался силовых эффектов, выраженных более ярко, чем при использовании проволочных соленоидов. Ученый заметил, что при нахождении в цепи мощной катушки ток в этой цепи достигает своего максимального значения гораздо медленнее, чем без катушки.
Опыт: На рисунке изображена электрическая схема экспериментальной установки, на основе которой можно продемонстрировать явление самоиндукции. Электрическая цепь состоит из двух параллельно соединенных лампочек, подключенных через ключ к источнику постоянного тока. Последовательно с одной из лампочек подключена катушка. После замыкания цепи видно, что лампочка, которая соединена последовательно с катушкой, загорается медленнее, чем вторая лампочка.
При отключении источника лампочка, подключенная последовательно с катушкой, гаснет медленнее, чем вторая лампочка.Рассмотрим процессы, происходящие в данной цепи при замыкании и размыкании ключа.
1. Замыкание ключа.
В цепи находится токопроводящий виток. Пусть ток в этом витке течет против часовой стрелки. Тогда магнитное поле будет направлено вверх.
Таким образом виток оказывается в пространстве собственного магнитного поля. При возрастании тока виток окажется в пространстве изменяющегося магнитного поля собственного тока. Если ток возрастает, то созданный этим током магнитный поток также возрастает. Как известно, при возрастании магнитного потока, пронизывающего плоскость контура, в этом контуре возникает электродвижущая сила индукции и, как следствие, индукционный ток. По правилу Ленца этот ток будет направлен таким образом, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, пронизывающго плоскость контура.
То есть, для рассматриваемого на рисунке 4 витка индукционный ток должен быть направлен по часовой стрелке, тем самым препятствуя нарастанию собственного тока витка. Следовательно, при замыкании ключа ток в цепи возрастает не мгновенно, благодаря тому, что в этой цепи возникает тормозящий индукционный ток, направленный в противоположную сторону.
2. Размыкание ключа.
При размыкании ключа ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению магнитного потока сквозь плоскость витка. Уменьшение магнитного потока приводит к появлению ЭДС индукции и индукционного тока. В этом случае индукционный ток направлен в ту же сторону, что и собственный ток витка. Это приводит к замедлению убывания собственного тока.
Вывод: при изменении тока в проводнике возникает электромагнитная индукция в этом же проводнике, что порождает индукционный ток, направленный таким образом, чтобы препятствовать любому изменению собственного тока в проводнике. В этом заключается суть явления самоиндукции. Самоиндукция – это частный случай электромагнитной индукции.Самоиндукция – это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник.
Индуктивность. Модуль вектора индукции В магнитного поля, создаваемого током, пропорционален силе тока. Так как магнитный поток Ф пропорционален В, то Ф ~ В~ I.
Можно, следовательно, утверждать, что
Ф = LI,
где L — коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и магнитным потоком.
Величину L называют индуктивностью контура, или его коэффициентом самоиндукции.
Используя закон электромагнитной индукции и полученное выражение, получаем равенство
ᴇ = ∆Ф/∆t = L∆I/ t
если считать, что форма контура остается неизменной и поток меняется только за счет изменения силы тока.
Из формулы следует, что индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на 1 А за 1 с.
Индуктивность, подобно электроемкости, зависит от геометрических факторов: размеров проводника и его формы, но не зависит непосредственно от силы тока в проводнике. Кроме геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.
Очевидно, что индуктивность одного проволочного витка меньше, чем у катушки (соленоида), состоящей из N таких же витков, так как магнитный поток катушки увеличивается в N раз.
Единицу индуктивности в СИ называют генри (обозначается Гн). Индуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при равномерном изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В:
С явлением самоиндукции человек сталкивается ежедневно. Каждый раз, включая или выключая свет, мы тем самым замыкаем или размыкаем цепь, при этом возбуждая индукционные токи. Иногда эти токи могут достигать таких больших величин, что внутри выключателя проскакивает искра, которую мы можем увидеть.Аналогия между самоиндукцией и инерцией. Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике. Так, инерция приводит к тому, что под действием силы тело не мгновенно приобретает определенную скорость, а постепенно. Тело нельзя мгновенно затормозить, как бы велика ни была тормозящая сила. Точно так же за счет самоиндукции при замыкании цепи сила тока не сразу приобретает определенное значение, а нарастает постепенно. Выключая источник, мы не прекращаем ток сразу. Самоиндукция поддерживает его некоторое время, несмотря на сопротивление цепи.
Для создания электрического тока и, следовательно, его магнитного поля необходимо выполнить работу против сил вихревого электрического поля. Эта работа (согласно закону сохранения энергии) равна энергии электрического тока или энергии магнитного поля тока.
. Если самоиндукция аналогична инерции, то индуктивность в процессе создания тока играет ту же роль, что и масса при увеличении скорости в механике. Роль скорости тела в электродинамике играет сила тока как величина, характеризующая движение электрических зарядов.
Тогда энергию тока можно считать величиной подобной кинетической энергии в механике:
Энергия магнитного поля тока.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ,
Задача 1. Какова индуктивность витка проволоки, если при токе 6 А создается магнитный поток 12 мВб?
Задача 2 В катушке из 150 витков течет ток 7,5 А, и при этом создается магнитный поток 20 мВб. Какова индуктивность катушки?
Задача 3 Через соленоид, индуктивность которого 0,4 мГн и площадь поперечного сечения 10 см2, проходит ток 0,5 А. Какова индукция поля внутри соленоида, если он содержит 100 витков.
ЗАДАНИЕ
1. Сделать конспект.
2. Выполнить тест по теме « САМОИНДУКЦИЯ, ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ»
Вопрос 1
По витку проволоки с индуктивностью 20 мГн протекает ток 3 А. Какой магнитный поток (в мВб) пронизывает этот виток?
Вопрос 2
Сила тока в контуре уменьшилась от 10 А до 5 А за 10 мс. В результате в контуре возникла ЭДС самоиндукции 2 В. Найдите индуктивность контура (в мГн).
Вопрос 3
По соленоиду с индуктивностью 50 мГн протекает ток 4 А. Найдите магнитную энергию соленоида (в Дж).
Вопрос 4
При выключении лампочки, рассчитанной на 200 мА, в ней возникает ЭДС самоиндукции 1 мВ. Считая, что время выключения занимает 10 мс, найдите индуктивность спирали лампочки (в мкГн).
Вопрос 5
Проводник длиной 50 см движется в магнитном поле с индукцией 30 мТл со скоростью 7,2 км/ч. Найдите ЭДС индукции в проводнике (в мВ), если угол между направлением протекания тока и направлением вектора магнитной индукции равен 30о.
Вопрос 6
Соленоид имеет длину 30 см и площадь поперечного сечения 10 см2. Найдите модуль вектора магнитной индукции (в Тл), если известно, что энергия магнитного поля соленоида составляет 5 Дж.
Вопрос 7
От чего не зависит ЭДС индукции в движущихся проводниках?
Варианты ответов
- От силы тока в них
- От их длины
- От магнитного поля, в котором находятся проводники
- От скорости их движения
Вопрос 8
Катушку с индуктивностью 50 мГн пронизывает магнитный поток 0,3 Вб. Найдите энергию магнитного поля катушки (в Дж).
Вопрос 9
Известно, что при силе тока 8 А контур пронизывает магнитный поток, равный 20 мВб. Найдите ЭДС индукции (в мВ), возникающую в контуре при уменьшении силы тока вдвое за промежуток времени, равный 0,05 с.
Вопрос 10
При увеличении силы тока в катушке вдвое, магнитная энергия катушки увеличилась в 4 раза. Что можно сказать об индуктивности этой катушки?
Варианты ответов
- Индуктивность равна 2 Гн
- Индуктивность равна 4 Гн
- Катушка не обладает индуктивностью
- Об индуктивности ничего нельзя сказать, т.к. при увеличении силы тока вдвое, энергия магнитного поля катушки возрастает в 4 раза, независимо от индуктивности
ЖЕЛАЮ УСПЕХА!
УРОК №19
18 .11.2022г. .ГРУППА 401 ФИЗИКА. ТЕМА «Явление электромагнитной индукции»
Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.
Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.
Опыты Фарадея
На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.
Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.
Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.
Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.
Объяснения возникновения индукционного тока
Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.
Свойства вихревого электрического поля:
источник – переменное магнитное поле;
обнаруживается по действию на заряд;
не является потенциальным;
линии поля замкнутые.
Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.
Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:
Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.
Если контур состоит из N витков, то ЭДС индукции:
Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением R:
При движении проводника длиной l со скоростью v в постоянном однородном магнитном поле с индукцией B⃗ ЭДС электромагнитной индукции равна:
Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.
Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.
Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.
Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:
магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;
вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.
Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:
в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;
в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.
Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.
Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:
1. определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;
2. выяснить, как изменяется магнитный поток;
3. определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;
4. по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.
Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.
ЗАДАНИЕ:
1. СОСТАВИТЬ КОНСПЕКТ.
2. ВЫПОЛНИТЬ ТЕСТ:
Вариант 1
1. В короткозамкнутую катушку один раз быстро, второй раз медленно вдвигают магнит. В каком случае заряд, который переносится индукционным током, больше?
1) в первом случае заряд больше; 2) во втором случае заряд больше;
3) в обоих случаях заряд одинаков; 4) заряд равен нулю.
2. Что определяется скоростью изменения магнитного потока через контур?
1) индуктивность контура; 2) магнитная индукция;
3) ЭДС индукции; 4) ЭДС самоиндукции.
3. Электрический заряд перемещается по замкнутому пути и возвращается в исходную точку
А. в электростатическом поле; Б. в индукционном электрическом поле.
4. В каком случае работа сил электрического поля обязательно равна нулю?
1) А; 2) Б; 3) А, Б; 4) ни в А, ни в Б.
5. За 2 с магнитный поток, пронизывающий контур, равномерно увеличился с 2 до 8 Вб. Чему при этом было равно ЭДС индукции в контуре?
1) 5 В 2) 20 В 3) 3 В 4) 12 В 5) 0 В.
6. Как изменится индуктивность контура при увеличении силы тока в 2 раза, если магнитный поток не меняется?
1) увеличится в 2 раза 2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 4 раза 4) не изменится
7. Укажите устройство
, в котором используется явление возникновения тока при движении проводника в магнитном поле.
1) электромагнит; 2) электродвигатель;
3) электрогенератор; 4) амперметр.
8. Какое из перечисленных ниже свойств относится только к вихревому электрическому полю, но не к электростатическому?
непрерывность в пространстве;
линии напряженности обязательно связаны с электрическими зарядами;
работа сил поля при перемещении заряда по любому замкнутому пути;
поле обладает запасом энергии;
работа сил поля при перемещении заряда по замкнутому пути может быть не равной нулю.
9. Определите значение изменения магнитного поток, если за 4 с в контуре возникает ЭДС индукции равная 2 В.
1) 2 Вб 2) 4 Вб 3) 6 Вб 4) 8 Вб 5) 10 Вб
УРОК №18
18.11.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА «РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ «СИЛА ЛОРЕНЦА»
Задача №1
В магнитном поле с индукцией В =4 Тл движется электрон со скоростью 10 7 м/с, направленной перпендикулярно линиям магнитного поля. Чему равен модуль силы, действующий на электрон со стороны магнитного поля? Заряд электрона равен q =1.6 ∙10-19 Кл
Дано:
В =4 Тл РЕШЕНИЕ:
v = 107 М/с F = qvB sin ά
q = 1,6 10-19 Кл Так как ά = 900 , то sin ά = 1, поэтому формула для
F - ? F = qvB = 1,6∙ 10-19 ∙ 107 ∙4 = 6,4∙ 10-12 Н
Ответ :6,4 10-12 Н
Задача №2
Какая сила действует на заряд 0,005 Кл, движущийся в магнитном поле с индукцией 0,5 Тл со скоростью 150 м/с под углом 45 градусов к вектору магнитной индукции?
Решение
Это простейшая задача на определение силы Лоренца. Вспомним формулу и запишем, что на заряд действует сила Лоренца, равная: F=q⋅v⋅B⋅sinα
Подставим значения и вычислим:
F=0,005⋅150⋅0,5⋅√2 /2=0,26 Н
Ответ: 0,26 Н. З
Задача №3
На тело с зарядом 0,8 мКл, движущееся в магнитном поле, со стороны поля действует сила, равная 32Н. Какова скорость тела, если вектор магнитного поля перпендикулярен ей?
Решение
Это классическая задача на применение формулы силы Лоренца. Так как векторы скорости и магнитной индукции перпендикулярны, можно записать:
F=qvBsinα=qvB
v=F /qB=32 /0,8⋅10-3⋅2=20⋅10-3 м/с
Ответ: 20000 м/с.
ЗАДАНИЕ:
1) ОТВЕТЬТЕ НА ВОПРОСЫ
Вопрос 1. Что такое сила Лоренца
Вопрос 2. Как определить направление силы Лоренца
Вопрос 3. Зависит ли сила Лоренца от знака заряда?
Вопрос 4. Совершает ли сила Лоренца работу?
Вопрос 5. По какой траектории движется частица, попадающая в магнитное поле, перпендикулярное вектору скорости
РЕШИТЕ ЗАДАЧИ:
Задача №1 Какая сила действует на протон, движущийся со скоростью 10 Мм/с в магнитном поле индукцией 0,2 Тл перпендикулярно линиям индукции?
Задача №2
В направлении, перпендикулярном линиям индукции, влетает в магнитное поле электрон со скоростью 10 Мм/с. Найти индукцию поля, если электрон описал в поле окружность радиусом 1 см.:
Задача №3
Протон в магнитном поле индукцией 0,01 Тл описал окружность радиусом 10 см. Найти скорость протона. .
Задача №4
В однородное магнитное поле индукцией В = 10 мТл перпендикулярно линиям индукции влетает электрон с кинетической энергией Wк = 30 кэВ. Каков радиус кривизны траектории движения электрона в поле?
УРОК №17
16.11.2022г, ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА. «Сила Лоренца»
Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.
Формула для нахождения силы Лоренца:
гдеq – заряд частицы, v – скорость частицы, B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.
Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции B⊥ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.
Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.
Важно!
Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно.
В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.
Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:
гдеm – масса частицы, v – скорость частицы, B – модуль вектора магнитной индукции, q – заряд частицы.
В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:
Угловая скорость движения заряженной частицы:
Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы.
Если вектор скорости направлен под углом α (0° < α < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.
В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, v2, параллелен вектору B⃗ , а другой, v1, – перпендикулярен ему. Вектор v1 не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор v2 меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости v1. Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – T.
Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору B⃗ . Частица движется по винтовой линии с шагом h=v2T.
Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:
Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».
Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:
1. сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;
2. изобразить силы, действующие на заряженную частицу;
определить вид траектории частицы;
3. разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;
4. составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;
5. выразить силы через величины, от которых они зависят;
6. решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
7. решение проверить.
ЗАДАНИЕ:
1. Сделать конспект, выписать определения, формулы.
2. Ответить на вопросы:
А) Какая сила называется силой Лоренца? Запишите формулу.
Б) Как направлена сила Лоренца?
В) Как определяют силу Лоренца? Запишите.
Г) Когда частица движется прямолинейно и равномерно?
Д) Когда частица движется по окружности? Чему равен радиус окружности?
Е) Период обращения и угловая скорость равны…
Ж) Чему будет равна полная сила Лоренца, если тело движется в электрическом и магнитном полях?
3. Решить задачу.
Определить радиус окружности и период обращения электрона в однородном магнитном поле с индукцией В =0,01 Тл. Скорость электрона перпендикулярна вектору магнитной индукции и равна 106 м/с. Масса электрона mе = 9,1∙ 10-31 кг, его заряд qе = - 1,6∙ 10-19 Кл.
УРОК № 15
11.11.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА "Магнитный поток. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ"
Магнитным потоком через площадь S контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции B, площади поверхности S, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла α между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):
Обозначение – Φ, единица измерения в СИ – вебер (Вб).
Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м2, расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции
Магнитный поток можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.
Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).
В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ
Для того, чтобы решить задачи по этой теме, необходимо:
- Повторить материал по теме: Магнитное
поле
- Вектор магнитной индукции
- Магнитный поток
- Ну что, приступим
- ЗАДАЧА 1. По проводнику длиной 45 см
протекает ток силой 20А. чему равна индукция магнитного поля, в котором
помещен проводник, если на проводник действует сила 9мН?
- НАЧИНАЕМ С ЗАПИСИ
- ДАНО : СИ Решение:
- l =45см 0,45 м Индукцию магнитного поля находим по формуле:
- I =20 A В = F/ Il = 0, 009 / 0, 45 20 = 0,001 Н/А м или 0,001 Тл
- F =9мН 0,009Н
- B -?
- ОТВЕТ: 0,001 Тл
- Задача 2. Определите модуль силы,
действующей на проводник длиной 20 см при силе тока 10А в магнитном поле с
индукцией 0,13Тл
- Дано: СИ РЕШЕНИЕ:
- l =20 см 0,2 м Из формулы для вектора магнитной индукции находим
- I =10 A формулу модуля силы:
- B =0, 13 Тл F = BIl = 0,13 10 0,2 = 0,26 Н
- F-?
- ОТВЕТ: 0,26 Н
- Задача 3. Площадь рамки, плоскость
которой параллельна линиям магнитной индукции увеличили в 3 раза. Как
изменился магнитный поток сквозь рамку?
- Задача 4.
- Определить, чему равен поток магнитной индукции через поверхность, ограниченную рамкой, площадь которой равна 0, 02 квадратных метров, а плоскость расположена под углом 60 градусов к вектору В, при В = 0,05 Тл .
УРОК № 13-14
09.11.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА « Магнитное поле. Сила Ампера»
Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов – токов.
Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.
Для исследования магнитного поля используют замкнутый плоский контур с током (рамку с током).
Впервые поворот магнитной стрелки около проводника, по которому протекает ток, обнаружил в 1820 году Эрстед. Ампер наблюдал взаимодействие проводников, по которым протекал ток: если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если токи в проводниках текут в противоположных направлениях, то они отталкиваются.
Свойства магнитного поля:
- магнитное поле материально;
- источник и индикатор поля – электрический ток;
- магнитное поле является вихревым – его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые;
- величина поля убывает с расстоянием от источника поля.
Важно!
Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.
Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.
Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов объясняется так: всякий движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы.
Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции B⃗ . Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, к силе тока в проводнике I и его длине l:
Обозначение – B⃗ , единица измерения в СИ – тесла (Тл).
1 Тл – это индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила 1 Н.
Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.
Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика:
если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.
Для определения магнитной индукции нескольких полей используется принцип суперпозиции:
магнитная индукция результирующего поля, созданного несколькими источниками, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым источником в отдельности:
Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению, называется однородным.
Наглядно магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукции – это воображаемая линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.
Свойства магнитных линий
магнитные линии непрерывны;
- магнитные линии замкнуты (т.е. в природе не существует магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам);
- магнитные линии имеют направление, связанное с направлением тока.
Густота расположения позволяет судить о величине поля: чем гуще расположены линии, тем сильнее поле.
На плоский замкнутый контур с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует момент сил M:
где I – сила тока в проводнике, S – площадь поверхности, охватываемая контуром, B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между перпендикуляром к плоскости контура и вектором магнитной индукции.
Тогда для модуля вектора магнитной индукции можно записать формулу:
где максимальный момент сил соответствует углу α = 90°.
Взаимодействие магнитов В этом случае линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, и ее положение равновесия является неустойчивым. Устойчивым будет положение рамки с током в случае, когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции.
Постоянные магниты – это тела, длительное время сохраняющие намагниченность, то есть создающие магнитное поле.
Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов (например стали). Магниты бывают естественные (из магнитного железняка) и искусственные, представляющие собой намагниченные железные полосы. Области магнита, где его магнитные свойства выражены наиболее сильно, называют полюсами. У магнита два полюса: северный N и южный S.Важно!
Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс.
Разделить полюса магнита нельзя.
Объяснил существование магнитного поля у постоянных магнитов Ампер. Согласно его гипотезе внутри молекул, из которых состоит магнит, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы определенным образом, то их действия складываются и тело проявляет магнитные свойства. Если эти токи расположены беспорядочно, то их действие взаимно компенсируется и тело не проявляет магнитных свойств.
Магниты взаимодействуют: одноименные магнитные полюса отталкиваются, разноименные – притягиваются.
Магнитное поле проводника с током
Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле.
Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.
Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.
Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика: если поступательное движение буравчика (1) совпадает с направлением тока (2) в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий (4) магнитного поля вокруг проводника.
При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.
По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля уменьшается.
Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.
Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.
В проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается.
Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки.
Магнитное поле катушки с током имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такую катушку называют электромагнитом.
Направление линий магнитной индукции катушки с током находят по правилу правой руки:
если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.
Для определения направления линий магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика:
если вращать ручку буравчика по направлению то
ка в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.
Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Полярность электромагнита (направление магнитного поля) можно определить и с помощью правила правой руки.
Сила Ампера
Сила Ампера – сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.
Закон Ампера: на проводник c током силой I длиной l, помещенный в магнитное поле с индукцией B⃗ , действует сила, модуль которой равен:
где α – угол между
проводником с током и вектором магнитной индукции B⃗ .
Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции B⊥ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.
Сила Ампера не является центральной.
Она направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции.
Сила Ампера широко используется. В технических устройствах создают магнитное поле с помощью проводников, по которым течет электрический ток. Электромагниты используют в электромеханическом реле для дистанционного выключения электрических цепей, магнитном подъемном кране, жестком диске компьютера, записывающей головке видеомагнитофона, в кинескопе телевизора, мониторе компьютера. В быту, на транспорте и в промышленности широко применяют электрические двигатели. Взаимодействие электромагнита с полем постоянного магнита позволило создать электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр).
Простейшей моделью электродвигателя служит рамка с током, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. В реальных электродвигателях вместо постоянных магнитов используют электромагниты, вместо рамки – обмотки с большим числом витков провода.
Коэффициент полезного действия электродвигателя:
где N – механическая мощность, развиваемая двигателем.
Коэффициент полезного действия электродвигателя очень высок.
Алгоритм решения задач о действии магнитного поля на проводники с током:
- сделать схематический чертеж, на котором указать проводник или контур с током и направление силовых линий поля;
- отметить углы между направлением поля и отдельными элементами контура;
- используя правило левой руки, определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током или на каждый элемент контура, и показать эти силы на чертеже;
- указать все остальные силы, действующие на проводник или контур;
- записать формулы для остальных сил, упоминаемых в задаче. Выразить силы через величины, от которых они зависят. Если проводник находится в равновесии, то необходимо записать условие его равновесия (равенство нулю суммы сил и моментов сил);
- записать второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях;
- решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
- решение проверить.
- чины;
- решение проверить.
ЗАДАНИЕ:
1. Сделать конспект, выписать определения, формулы.
2. Записать правило буравчика, правило левой руки для силы Ампера .
3. Записать алгоритм решения задач
4. Выполнить тест.
1. В пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое…
А. Электрическим. Б. Магнитным. В. Электромагнитным.
2. Любой покоящийся электрический заряд характеризуется наличием…
А. Электрического поля. Б. Магнитного поля. В. Электрического и магнитного полей.
3. Магнитное поле создается:
А. Неподвижными зарядами. Б. Движущимися электрическими зарядами.
4. Линии магнитной индукции:
А. Пересекаются. Б. Не пересекаются.
5. При изображении магнитного поля с помощью линий магнитной индукции эти линии наносятся:
А. Произвольно. Б. Вполне определённо.
6. Линии магнитного поля прямого проводника:
А. Перпендикулярны проводнику. Б.Имеют вид концентрических окружностей.
7. Единица измерения магнитной индукции:
А. 1 Кл. Б. 1 А. В. 1 Тл. Г. 1 м
8. Закон, определяющий силу, действующую на отдельный участок проводника с током со стороны магнитного поля, был установлен…
А. Кулоном. Б. Эрстедом. В. Ампером. Г. Лоренцом.
10. Силу, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд, называют…
А. Силой Ампера. Б. Силой Лоренца. В. Силой Кулона.
11. Определите направление силы Ампера, действующую на проводник с током: +
УРОК №12
02.11.2022г. ГРУППА 401. Контрольная работа по теме: “Законы постоянного тока”
Вариант 1.
Часть А
А1. Электрический ток - это
1) направленное движение частиц
2) хаотическое движение заряженных частиц
3) изменение положения одних частиц относительно других
4) направленное движение заряженных частиц
А2. За 5 секунд по проводнику при силе тока 0,2 А проходит заряд равный
1) 0,04 Кл 2) 1 Кл 3) 5,2 Кл 4) 25 Кл
A3. Работу электрического поля по перемещению заряда характеризует
1) напряжение 2) сопротивление
3) напряженность 4) сила тока
А4. Напряжение на резисторе с сопротивлением 2 Ом при силе тока 4 А равно ... 1) 0,55 В 2) 2 В 3) 6 В 4) 8 B
А
1) 3.10 -6 м2 2) 3.10 -3 м2
3) 3.10 3 м2 4) 3.10 6 м2
А6. На рисунке изображён график зависимости силы тока от
напряжения на одной секции телевизора. Каково сопротивление этой секции?
1) 250 кОм 2) 0,25 Ом 3) 10 кОм 4) 100 Ом
А7. На участке цепи, состоящем из сопротивлений r1 = 2 Ом и R2 = 6 Ом, падение напряжения 24 В. Сила тока в каждом сопротивлении ...
l) I1 = I2 = 3 A 2) I1 = 6 A, I2 = 3 А
3) I1 = 3 A, I2 = 6 A 4) I1 = I2 = 9 A
А8. К последовательно соединенным сопротивлениям R1 = R2 =R3 = 2 Ом параллельно подключено сопротивление R4 = 6 Ом, полное сопротивление цепи равно ...
1) 12 Ом 2) 6 Ом 3) 3 Ом 4)1/12 0
9. Как изменится сопротивление цепи, изображённой на рисунке, при замыкании ключа?
Уменьшится
Увеличится
Не изменится
Уменьшится или увеличится в зависимости от соотношения между сопротивлениями R1 и R2
I = 10 А. Какую силу тока показывает амперметр? Сопротивлением амперметра пренебречь.
1)2 А 2) 3А 3)5 А 4) 10 А
А11. Мощность лампы накаливания при напряжении 220 В и силе тока 0,454 А равна
1) 60 Вт 2) 100 Вт 3) 200 Bт 4) 500 Bт
А12. В источнике тока происходит ...
1) преобразование электрической энергии в механическую
2) разделение молекул вещества
3) преобразование энергии упорядоченного движения заряженных частиц в тепловую
4
А13. К источнику тока с внутренним сопротивлением 2 Ом подключили реостат. На рисунке показан график зависимости силы тока в реостате от его сопротивления. Чему равна ЭДС источника тока?
1) 16 В 2) 8 В 3) 4 В 4) 2 В
А14. Сопротивление первого проводника в 4 раза меньше сопротивления второго. Силы токов и время их прохождения по обоим проводникам одинаковы. Работа тока за это время в первом проводнике по сравнению с работой тока во втором
меньше в 2 раза 2) больше в 4 раза 3) меньше в 4 раза 4) больше в 2 раза
А 15. В данной цепи вольтметр показывает
1) ЭДС источника тока
2) 0 В
3) напряжение на внешнем участке цепи
4) напряжение на внутреннем участке цепи
А16. Цепь состоит из источника с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 2 Ом. Внешнее сопротивление цепи 10 Ом. Ток короткого замыкания отличается от тока цепи в ... раз.
1) 2 2) 3 3) 5 4) 6
Часть В
В1. К концам длинного однородного проводника приложено напряжение U. Провод укоротили вдвое и приложили к нему прежнее напряжение U. Что произойдёт при этом с сопротивлением проводника, силой тока и мощностью? К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию
ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ
сопротивление проводника
Б) сила тока в проводнике
выделяющаяся на проводнике мощность
ИХ ИЗМЕНЕНИЕ
увеличится 2) уменьшится 3) не изменится
В2. Последовательно соединены два резистора R1 = 6 Ом и R2 = 3 Ом. Отношение количества теплоты выделяющегося в резисторах Q1/Q2 равно ...
В3. Если к источнику подключить сопротивление 4 Ом, то ток в цепи 2А, а при
сопротивлении 6 Ом ток – 1,5 А. Определить ЭДС и внутреннее сопротивление источника.
В4. По участку цепи состоящей из трех равных резисторов проходит ток с силой 3 А. Два резистора соединены последовательно, а третий к ним параллельно. Амперметр, включенный в последовательный участок цепи, показывает
...
В 5. Конденсатор ёмкостью 2 мкФ присоединен к источнику постоянного тока с ЭДС 3,6 В и внутренним сопротивлением 1 Ом (см. рис.). Сопротивления резисторов R1 = 4 Ом,
R2= 7 Ом, R3= 3 Ом. Каков заряд на правой обкладке конденсатора?
УРОК №11
26.10.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ по теме «ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА»
Задача № 1. Какова сила тока в резисторе, если его сопротивление 12 Ом, а напряжение на нем 120 В?
Задача № 2. Сопротивление проводника 6 Ом, а сила тока в нем 0,2 А. Определите напряжение на концах проводника.
Задача № 4. По графикам зависимости силы тока от напряжения определите сопротивление каждого проводника.
Задача № 6. Электрический утюг включен в сеть с напряжением 220 В. Какова сила тока в нагревательном элементе утюга, если сопротивление его равно 48,4 Ом?
10. Источник постоянного тока с ЭДС E = 12 В и внутренним сопротивлением г = 1 Ом замкнут на внешнее сопротивление R = 9 Ом. Определить силу тока в цепи I, падение напряжения UR на внешнем участке и падение напряжения Ur на внутреннем участке цепи.
ЗАДАНИЕ :
Решить самостоятельно:
Задача1.. Электрический утюг включен в сеть с напряжением 220 В. Какова сила тока в нагревательном элементе утюга, если сопротивление его равно 48,4 Ом?
Задача. Показание вольтметра, присоединенного к горящей электрической лампе накаливания, равно 120 В, а амперметра, измеряющего силу тока в лампе, 0,5 А. Чему равно сопротивление лампы? Начертите схему включения лампы, вольтметра и амперметра.
УРОК № 10
19.10.2022г. ГРУППА 401. ТЕМА « Электрический ток в газах. Электрический ток в вакууме.»
В обычных условиях газ - это диэлектрик (R
), т.е. состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей электрического тока.
Газ-проводник - это ионизированный газ, он обладает электронно-ионной проводимостью.
Воздух- диэлектрик | Воздух-проводник |
линии электропередач воздушный конденсатор контактные выключатели | молния электрическая искра дуга при сварке |
Ионизация газа - это распад нейтральных атомов или молекул на положительные ионы и электроны под действием ионизатора (ультрафиолетовое, рентгеновское и радиоактивное излучения; нагрев)
и объясняется распадом атомов и молекул при столкновениях на высоких скоростях.
Газовый разряд – прохождение электрического тока через газ. Газовый разряд наблюдается в газоразрядных трубках (лампах) при воздействии электрического или магнитного поля.
Рекомбинация заряженных частиц
Газ перестает быть проводником, если ионизация прекращается, это происходит вследствие рекомбинации (воссоединения противоположно заряженных частиц). Виды газовых разрядов: самостоятельный и несамостоятельный.
Несамостоятельный газовый разряд — это разряд, существующий только под действием внешних ионизаторов
Газ в трубке ионизирован, на электроды подается
напряжение (U) и в трубке возникает электрический ток(I).
При увеличении U возрастает сила тока I
Когда все заряженные частицы, образующиеся за секунду, достигают за это время электродов (при некотором напряжении (U*), ток достигает насыщения (Iн). Если действие ионизатора прекращается, то прекращается и разряд (I= 0).
Самостоятельный газовый разряд — разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации (= ионизации электрического удара); возникает при увеличении разности потенциалов между электродами (возникает электронная лавина).
При некотором значении напряжения (Uпробоя) сила тока снова
возрастает. Ионизатор уже не нужен для поддержания разряда.
Происходит ионизация электронным ударом.
Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при Uа = U зажигания.
Электрический пробой газа - переход несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.
Типы самостоятельного газового разряда:
1. тлеющий - при низких давлениях (до нескольких мм рт.ст.) - наблюдается в газосветных трубках и газовых лазерах. (лампы дневного света)
2. искровой - при нормальном давлении (P =P атм)и высокой напряженности электрического поля Е (молния - сила тока до сотен тысяч ампер).
3. коронный - при нормальном давлении в неоднородном электрическом поле (на острие, огни святого Эльма).
4. дуговой - возникает между близко сдвинутыми электродами - большая плотность тока, малое напряжение между электродами, (в прожекторах, проекционной киноаппаратуре, сварка, ртутные лампы)
Плазма - это четвертое агрегатное состояние вещества с высокой степенью ионизации за счет столкновения молекул на большой скорости при высокой температуре; встречается в природе: ионосфера – слабо ионизированная плазма, Солнце - полностью ионизированная плазма; искусственная плазма – в газоразрядных лампах.
Плазма бывает: 1. - низкотемпературная Т < 105 К;
2. - высокотемпературная» Т > 105 К.
Основные свойства плазмы:
- высокая электропроводность;
- сильное взаимодействие с внешними электрическими и магнитными полями.
При Т = 20∙ 103 ÷ 30∙ 103 К любое вещество - плазма. 99% вещества во Вселенной - плазма.
Электрический ток в вакууме.
Вакуум – сильно разреженный газ, соударений молекул практически нет, длина
свободного пробега частиц (расстояние между столкновениями) больше размеров сосуда
(Р « Р~10
(ток – движение электронов), сопротивление практически отсутствует (R = 0).
В вакууме:
- электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность;
- создать электрический ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц;
- действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.
Термоэлектронная эмиссия - явление вылета свободных электронов с поверхности нагретых тел, испускание электронов твердыми или жидкими телами происходит при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла. Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако.
В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него (т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно). Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака. Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах. Электронная лампа - устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.
Вакуумный диод.
Вакуумный диод - это двухэлектродная (А- анод и К - катод) электронная лампа. Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление (10-6 ÷10-
с “+” источника тока, а катод с “–”, то в цепи протекает постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью.
Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая электрический ток в вакууме.
ВАХ (вольтамперная характеристика) вакуумного диода.
|
|
При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и ток небольшой. При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью и используется для выпрямления переменного тока.
Электронные пучки - это поток быстро летящих электронов в электронных лампах и газоразрядных устройствах.
Свойства электронных пучков:
- отклоняются в электрических полях;
- отклоняются в магнитных полях под действием силы Лоренца;
- при торможении пучка, попадающего на вещество, возникает рентгеновское излучение;
- вызывает свечение (люминесценцию) некоторых твердых и жидких тел (люминофоров );
- нагревают вещество, попадая на него.
Электронно - лучевая трубка ( ЭЛТ )
- используются явления термоэлектронной эмиссии и свойства электронных пучков.
Состав ЭЛТ: электронная пушка, горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины-электродов и экран.
В электронной пушке электроны, испускаемые подогревным катодом, проходят через управляющий электрод-сетку и ускоряются анодами. Электронная пушка фокусирует электронный пучок в точку и изменяет яркость свечения на экране. Отклоняющие горизонтальные и вертикальные пластины позволяют перемещать электронный пучок на экране в любую точку экрана. Экран трубки покрыт люминофором, который начинает светиться при бомбардировке его электронами.
Существуют два вида трубок:
1. с электростатическим управлением электронного пучка (отклонение электронного пучка только электрическим полем)
2. с электромагнитным управлением (добавляются магнитные отклоняющие катушки).
Основное применение ЭЛТ: кинескопы в телеаппаратуре; дисплеи ЭВМ; электронные осциллографы в измерительной технике.
В каком из перечисленных ниже случаев наблюдается явление термоэлектронной эмиссии?
А. Ионизация атомов под действием света. Б. Ионизация атомов в результате столкновений при высокой температуре. В. Испускание электронов с поверхности нагретого катода в телевизионной трубке. Г. При прохождении электрического тока через раствор электролита.
ЗАДАНИЕ:
1. Сделайте конспекты этих тем
2.Ответьте на вопросы:
а)Для какой цели в электронных лампах создают вакуум?
б)Наблюдается ли термоэлектронная эмиссия в диэлектриках?
в) Как осуществляется управление электронными лучами?
г) Как устроена электронно-лучевая трубка?
УРОК №9
12.10.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ И В ПОЛУПРОВОДНИКАХ»
Все тела по проводимости электрического тока делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Для того чтобы электрическую энергию доставить от источника тока потребителю составляют электрические цепи. В большинстве случаев в электрической цепи используются металлические провода. По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют на:
А) электронную,
Б) ионную,
В) смешанную.
Какие заряженные частицы движутся в металлах при наличии тока?
После открытия в 1897 году английским ученым Дж. Дж. Томсоном электрона стали разрабатываться теории, объясняющие электропроводность металлов. Автором первой теории был Пауль Друде – немецкий физик. Эта теория нуждалась в опытном обосновании. В 1901 г. немецкий физик Э. Рикке поставил опыт по исследованию прохождения тока в металлах.
Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Впоследствии вопросом проводимости металлов заинтересовались и другие учёные. В 1913 году российские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси провели опыты по исследованию проводимости металлов. Суть опытов сводилась к тому, что катушка, на которую наматывали металлическую проволоку приводили во вращательное движение и резко тормозили. При торможении электроны продолжали двигаться по инерции и гальванометр, соединенный с катушкой фиксировал появление тока. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что ток создается движением отрицательно заряженных частиц. На основании измерения отношения заряда частиц к их массе выяснилось, что ток создается движением свободных электронов. Аналогичный опыт был поставлен в 1916 году американскими учеными Т. Стюартом и Р.Толменом. Результаты опытов говорили, что ток в металлах создается движением электронов.
1. Металл можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов 1023- 1029м-3 и почти не зависит от температуры.
2.Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.
3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.
Опираясь на данную теорию, удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах. Исходя из электронной теории, можно найти связь между силой тока в металлах и скоростью движения электронов.
Сила тока равна произведению заряда электрона, их концентрации, площади сечения проводника и средней скорости движения электронов:
Отсюда
По формуле можно найти среднюю скорость движения электронов.
Если в эту формулу подставлять числовые данные силы тока, концентрации и площади сечения для разных металлов, то мы увидим, что средняя скорость движения электронов составляет всего лишь какие-то доли миллиметра в секунду. Когда говорят о скорости распространения тока, имеют в виду скорость распространения электрического поля в проводнике, которое равно скорости света.
На силу тока в проводнике влияет и сопротивление проводника. Опыт показывает, что сопротивление металлов зависит от температуры. Увеличение сопротивления можно объяснить тем, при повышении температуры увеличивается скорость и амплитуда хаотического движения ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов. Это приводит к более частым их соударениям, что затрудняет направленное движение электронов, то есть увеличивает электрическое сопротивление.
Зависимость сопротивления металлов от температуры выражается формулой:
где 
При нагревании размеры проводника практически не меняются, в основном меняется удельное сопротивление. Учет зависимости сопротивления от температуры используется в термометрах сопротивления.
Формула зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры имеет вид:
где ρ0 - удельное сопротивление при 0 градусов,t - температура,
α - температурный коэффициент сопротивления.
Графиком зависимости ⍴(t) является прямая.
При понижении температуры сопротивление металлов должно уменьшаться. В 1911 году датский физик Х. Каммерлинг - Оннес открыл явление, названное сверхпроводимостью. Исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры, он обнаружил, что при температуре 4,12 К сопротивление ртути исчезает. В сверхпроводящее состояние могут перейти многие химические соединения и сплавы. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах.
Вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, приобретают новые свойства. Наиболее важным из них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток в проводниках.
Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости на основе квантово-механических представлений было дано учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) в 1957 г. В 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).
В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ, переходящими в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если удастся создать сверхпроводник при нормальной температуре, то будет решена проблема передачи электроэнергии по проводам без потерь.
Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.
Открытие вещества, переходящего в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре, позволило бы упростить решение многих технических вопросов.
Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревании. Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники, а также для передачи электроэнергии.
В сверхпроводниках из-за отсутствия сопротивления протекают чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе для удержания высокотемпературной плазмы в реакторе.
На сегодняшний момент в некоторых странах существует железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке. После открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же магнитные поля, разрушают эффект сверхпроводимости. Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты. На данный момент продолжаются исследования по изучению высокотемпературной сверхпроводимости.
Разбор типовых тренировочных заданий
1. Сопротивление железного проводника при 0 0 С и 600 0С равны соответственно 2 Ом и 10 Ом. Каков температурный коэффициент железа?
Решение:
Зависимость сопротивления металлов от температуры определяется формулой
Из этой формулы выразим температурный коэффициент железа – α
После подстановки числовых данных получаем
1. Ответить на вопросы теста. Вы сможете на него ответить, если внимательно прочитаете изложенный конспект.
1. В обычных условиях металлы электрически нейтральны. Это объясняется тем, что у них:
а) отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов
б) число отрицательных ионов равно по абсолютному значению числу положительных ионов
в) плохая электропроводимость
2. Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение:
а) ионов
б) электронов
в) протонов
3. Для того чтобы в проводнике возник электрический ток, необходимо:
а) наличие в нем электрических зарядов
б) иметь потребителя электрической энергии
в) создать в нем электрическое поле
4. При прохождении тока через электролит положительно заряженные ионы перемещаются к:
а) катоду
б) аноду
в) протону
5. Какое действие тока используется в электрических лампах:
а) магнитное
б) химическое
в) тепловое
6. За направление электрического тока условно принимают то направление, по которому движутся в проводнике:
а) электроны
б) положительные заряды
в) положительные и отрицательные ионы
7. В каком году были обнаружены материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах около -100 градусов С:
а) 1980
б) 1987
в) 1986
8. Какими носителями электрического заряда создается ток в металлах:
а) только электронами
б) ионами
в) электронами и ионами
9. Какое действие электрического тока сопровождает прохождение тока через металлы:
а) химическое
б) только магнитное
в) тепловое +
10. Какие еще (кроме свободных электронов) заряженные частицы имеются в металлах:
а) атомы
б) положительные ионы
в) отрицательные ионы
11. Где они находятся в металлах:
а) в узлах кристаллической решетки
б) каждый на определенном месте
в) на постоянном для каждого месте
12. Кристаллическая решетка металла, образуемая ионами, имеет положительный заряд. Почему же металлы электрически нейтральны:
а) потому что общий отрицательный заряд всех свободных электронов равен всему положительному заряду ионов
б) потому что свободные электроны в металле, двигаясь хаотично, попадают на поверхность и экранируют положительный заряд решетки
в) потому что ионы сохраняют свое местоположение в твердом теле
13. При каком условии в металлическом проводнике возникает электрический ток:
а) при появлении в нем свободных электронов
б) при создании в нем электрического поля
в) в случае перехода хаотического движения свободных электронов в упорядоченное движение
14. Движение каких заряженных частиц в электрическом поле принято за направление тока:
а) электронов
б) частиц с положительным зарядом +
в) частиц с отрицательным зарядом
15. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику перенос вещества:
а) происходит редко
б) происходит
в) не происходит
16. Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с:
а) инерцией электронов
б) инерцией ионов
в) инерцией протонов
17. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежит русскому физику:
а) Попову
б) Папалекси
в) Ватутину
18. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг:
а) стержня
б) другой катушки
в) своей оси
19. Высокочувствительный прибор для измерения силы малых постоянных электрических токов:
а) амперметр
б) гальванометр
в) вольтметр
20. Еще в этом году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов:
а) 1900
б) 1910
в) 1890
21. Из-за взаимодействия с ионами электроны могут:
а) оставаться в металле надолго
б) притянуть другой металл
в) покинуть металл
22. Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в:
а) тепловом движении +
б) электрическом движении
в) постоянном движении
23. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального(ой):
а) жидкости
б) газа
в) вещества
Полупроводник - это вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры., а это значит, что электрическая проводимость (1/R ) увеличивается. - наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.
Механизм проводимости у полупроводников. Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик.
Полупроводники чистые (без примесей)
Если полупроводник чистый( без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика. Собственная проводимость бывает двух видов:
1. электронная ( проводимость "n " - типа) При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны - сопротивление уменьшается. Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического .поля. Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.
2. дырочная (проводимость " p"- типа). При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном - "дырка". Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда. Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля. Кроме нагревания разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость ) и действием сильных электрических полей
Существуют:
1) донорные примеси (отдающие) - являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике. Это проводники " n " - типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда - электроны, а неосновной - дырки. Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью
Например - мышьяк.
2. акцепторные примеси ( принимающие ) - создают "дырки", забирая в себя электроны. Это полупроводники " p "- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда - дырки, а неосновной - электроны. Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью.
Например - индий.
Электрические свойства "p-n" перехода.
"p-n" переход (или электронно-дырочный переход) - область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот). В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области.
В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.
Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя. При прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля эл.ток проходит через границу двух полупроводников. Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.
Пропускной режим р-n перехода
При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет. Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.
Запирающий режим р-n перехода:
Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью. Полупроводниковые диоды
Полупроводник с одним "p-n" переходом называется полупроводниковым диодом.
При наложении элктричского .поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, обратном - сопротивление мало.
Полупроводниковые диоды - основные элементы выпрямителей переменного тока.
Полупроводниковые транзисторы - также используются свойства" р-n "переходов, - транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.
1. ВНИМАТЕЛЬНО ПРОЧТИТЕ, СДЕЛАЙТЕ КОНСПЕКТ В ТЕТРАДИ.
2.ВЫПОЛНИТЕ ТЕСТ (любой из вариантов)
ТЕСТ « ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ»
ВАРИАНТ №1
1.Сопротивление увеличивается при нагревании у 1)ртути, германия, железа; 2) азота, ртути, железа;
3)ртути, железа, цинка; 4)цинка, германия ,азота.
2.При добавлении донорной примеси в кремний его проводимость становится 1)дырочной ,а полупроводник становится полупроводником р-типа; 2) электронной ,а полупроводник становится полупроводником n-типа;
3) электронной ,а полупроводник становится полупроводником р-типа;
4)дырочной ,а полупроводник становится полупроводником n-типа.
3.Валентность фосфора равна 5.Его можно использовать в качестве
1)донорной примеси; 2) акцепторной примеси; 3) полупроводника.
4. Если р-n-переход надо закрыть, следует область n-типа подключить к
1)отрицательному полюсу источника тока; 2) положительному полюсу источника тока.
5. В качестве выпрямителя можно использовать 1)транзистор; 2)светодиод; 3)диод
ВАРИАНТ №2
1.Сопротивление уменьшается при охлаждении у 1) германия, железа; 2)кремния , железа;
3)ртути, цинка; 4)кремния , германия.
2. В полупроводниках n-типа имеется 1) донорная примесь, в результате чего проводимость становится дырочной ;
2) донорная примесь, в результате чего проводимость становится электронной ;
3) акцепторная примесь, в результате чего проводимость становится дырочной ;
4) акцепторная примесь, в результате чего проводимость становится электронной.
3.Преимущественно дырочную проводимость полупроводнику обеспечит введение
1) акцепторной примеси с валентностью <4; 2) акцепторной примеси с валентностью >4;
3) донорной примеси с валентностью <4; 4) донорной примеси с валентностью >4; .
4. Если р-n-переход надо открыть, следует область n-типа подключить к
1)положительному полюсу источника тока; 2) отрицательному полюсу источника тока.
5. Односторонней проводимостью обладает 1)транзистор; 2)светодиод; 3)диод
ВАРИАНТ №3
1.Сопротивление увеличивается при охлаждении у 1)ртути, германия; 2) ртути, железа;
3)германия, кремния; 4)кремния ,железа.
2.При добавлении акцепторной примеси в германий его проводимость становится 1)дырочной ,а полупроводник становится полупроводником n-типа; 2) дырочной , а полупроводник становится полупроводником р-типа;
3) электронной ,а полупроводник становится полупроводником р-типа;
4) электронной ,а полупроводник становится полупроводником n-типа.
3.Валентность индия равна 3.Его можно использовать в качестве 1)акцепторной примеси; 2)донорной примеси.;
3) полупроводника.
4. Если р-n-переход надо открыть, следует область р-типа подключить к
1)отрицательному полюсу источника тока; 2) положительному полюсу источника тока.
5. В качестве усилителя можно использовать 1)диод; 2)светодиод; 3)транзистор.
ВАРИАНТ №4
1.Сопротивление уменьшается при нагревании у 1) германия, железа; 2) цинка, железа;
3)кремния , германия; 4)ртути, цинка;
2. В полупроводниках р-типа имеется 1) донорная примесь, в результате чего проводимость становится дырочной ;
2) акцепторная примесь, в результате чего проводимость становится дырочной ;
3) донорная примесь, в результате чего проводимость становится электронной ;
4) акцепторная примесь, в результате чего проводимость становится электронной.
3.Преимущественно электронную проводимость полупроводнику обеспечит введение
1) донорной примеси с валентностью >4; 2) акцепторной примеси с валентностью >4;
3) донорной примеси с валентностью <4; 4) акцепторной примеси с валентностью <4.
4. Если р-n-переход надо закрыть, следует область р-типа подключить к
1)положительному полюсу источника тока; 2) отрицательному полюсу источника тока.
5. Устройством с двумя р-n-переходами является 1)светодиод; 2) диод; 3) транзистор
УРОК № 8
05.10.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2
«ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ С
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ И ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ ПРОВОДНИКОВ.»
Цель: проверить соотношения, которые выполняются в случаях последовательного и параллельного соединения проводников.
Оборудование: источник постоянного тока, вольтметр,
амперметр, три резистора, ключ, соединительные провода.
В данной работе исследуются электрические цепи с последовательным и параллельным соединением двух резисторов. В ходе проведения опытов сначала собирают соответствующие цепи, а затем, используя амперметр для измерения силы тока и вольтметр для измерения напряжения, проверяют соответствующие соотношения.
В случае последовательного
соединения резисторов проверке подлежат следующие соотношения:
1. I1 = I2 =I, где I – общая сила тока в цепи; I1 и I2 – сила тока в первом и втором
резисторах соответственно.
2. U = U1 =U2, где U -общее
напряжение на резисторах; U1 и U2 -
напряжение на первом и втором резисторах
3. R = R1 + R2, где - общее
сопротивление двух резисторов; R1 и R2 - сопротивление первого и второго резистора
В случае параллельного соединения резисторов проверке подлежат следующие соотношения:
1. U = U1 =U2, где U – общее
напряжение на резисторах; U1 и U2
напряжение на первом и втором резисторе;
2. I = I1 + I2, где I - сила тока в
не разветвлённой части цепи; I1 и I2 - сила тока в первом и втором резисторах
соответственно;
3. 1/R = 1/R 1 + 1/ R 2, где - общее
сопротивление двух резисторов; R1 и R2 -
сопротивления первого и второго резисторов.
Ход
работы
Начертили схемы двух
электрических цепей, состоящих: первая – из двух последовательно соединённых резисторов,
источника тока и ключа (вспомните изображения этих составляющих цепь); вторая
из двух параллельно соединённых резисторов, которые через ключ подключены к
источнику тока.
Опыт 1.Исследование
электрической цепи с последовательным соединением резисторов.
1. Собрали электрическую
цепь по схеме 1.
2. Измерили силу тока,
включая амперметр сначала между ключом и первым резистором ( I ), потом
между вторым резистором и источником тока ( I1 ), а
затем между источником тока и ключом ( I2 )
3. Результаты измерений и
вывод записали в таблицу.
|
I1
, A |
I2 , A |
I , A |
Вывод |
|
|
|
|
При последовательном
соединении резисторов сила тока остаётся постоянной |
|
1 ,2 |
1, 2 |
1, 2 |
I = I1 + I2 |
4. Измерили напряжение, подключив
вольтметр сначала к клеммам первого резистора ( U1 ), а
потом к клеммам второго ( U2 ), а
затем к клемме первого резистора и второй клемме второго резистора (U ).
Результаты измерений
занесли в таблицу 2. Потом по
результатам измерений нашли сумму напряжений
U1 + U2 и сравнили её с напряжением , которое измерили на обоих последовательно
соединённых резисторах. Записали вывод.
|
U1 , B |
U2 , B |
U, B |
(U1 + U2) , B |
Вывод |
|
|
|
|
|
При последовательном
соединении |
|
6 |
6 |
12 |
12 |
Резисторов падение
напряжения в цепи равно сумме падений напряжения на каждом резисторе. U = U1 + U2 |
5. Учитывая закон Ома для
участка цепи и используя данные таблиц, вычислили сопротивление первого,
второго резисторов и общее сопротивление двух резисторов, соединённых
последовательно. Результаты занесли в таблицу и сделали вывод.
R1=U1 / I1 = 6/ 1, 2 =5 R2 = U2 / I2 =6/1,2 =5 R = U / I =12 / 1,2=10
Вывод: При
последовательном соединении резисторов общее сопротивление равно сумме
сопротивлений на каждом резисторе, что соответствует расчетам: 10 Ом = 10 Ом.
Относительная погрешность
έ равна:
έ = 1 –(R1 + R2)/R∙ 100%
= 1 – (5 +5)/10 ∙100 = 0 %
Опыт 2. Исследование электрической цепи с параллельным соединением резисторов.
1. Собрали электрическую цепь 2.
2. Измерили напряжение на
резисторах.
3. Измерили силу тока,
проходящего в не разветвлённом участке цепи, затем силу тока в первом и втором
резисторах. Результаты измерений занесли в таблицу.
4. По результатам
измерения нашли сумму токов I1 + I2 и
сравнили с силой тока, которую измерили в не разветвлённом участке цепи.
Записали вывод.
|
I1 A |
I2 A |
I A |
(I1 + I2)
A |
Вывод |
|
0,8 |
0,4 |
1,2 |
1,2 |
При параллельном
соединении резисторов напряжение на участке Цепи и на каждом
резисторе остаётся постоянным. А сила тока равна сумме токов на каждом
резисторе: I = I1 + I2
|
5. Применяя закон Ома и,
используя данные измерений, вычислили сопротивление первого и второго резисторов,
а также общее сопротивление:
R1 = U1 / I1= 12/0,8=15 Ом; R2 = 12/0,4 =30 Ом; R = R1∙ R2 / R1 +R2 =15 ∙30/45 =
= 450/45 =10 Ом
R = U/ I =12/1,2 10 Ом
10 Ом= 10 Ом
Вывод: Мы экспериментально проверили соотношения, которые выполняются в случаях последовательного и параллельного соединения резисторов.
Контрольные вопросы:
1. В каком случае сила
тока в цепи, состоящей из двух лампочек и источника тока, будет больше: когда
лампочки соединены последовательно или параллельно? Ответ обоснуйте.
2. Какое соединение
потребителей электроэнергии, по вашему мнению, необходимо использовать в
квартирной электропроводке? Почему?
Ребята, пожалуйста, лабораторную оформляете на листках, которые я вставлю в ваши тетради для лабораторных работ.
При оформлении, как всегда, записываете тему работы, цель, оборудование, ход работы и вычисления. Пишите вывод, исходя из цели. Отвечаете на контрольные вопросы.
Кому не понятно, переписываете всё, кроме теоретической части после оборудования и до хода работы.
ЖЕЛАЮ УСПЕХА!
УРОК №7
05.10.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. Лабораторная работа №1
«Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока»
Цель работы: научиться экспериментально определять ЭДС и внутреннее сопротивление
источника тока на основании результатов измерений силы тока в цепи и напряжения
на внешнем участке цепи.
Оборудование: источник тока, вольтметр,
амперметр, реостат, ключ, соединительные провода.
Схема
электрической цепи, которой пользуются в этой работе, показана на рисунке.
При
разомкнутом ключе ЭДС источника тока равна напряжению на внешней цепи R.
В
эксперименте источник тока замкнут на вольтметр, сопротивление которого должно
быть больше внутреннего сопротивления источника тока г. Обычно сопротивление
источника мало, поэтому для измерения напряжения можно использовать школьный
вольтметр со шкалой 0-6 В и сопротивлением Rв = 900 Ом. Так как
сопротивление источника обычно мало, то действительно Rв>> r.
При этом отличие Е от U не превышает десятых долей процента, поэтому
погрешность измерения ЭДС равна погрешности измерения напряжения.
Внутреннее
сопротивление источника тока можно измерить косвенно, сняв показания амперметра
и вольтметра при замкнутом ключе. Действительно, из закона Ома для замкнутой
цепи получаем Е = U + Ir, где U = IR - напряжение на внешней цепи. Отсюда:
r = E – U / I
Ход
работы:
1.
Измерили напряжение на клеммах источника тока в случае, когда ключ разомкнут
(полученное значение будет соответствовать ЭДС источника тока).
2.
Замкнули ключ и измерили силу тока в цепи и напряжение на клеммах источника
тока.
3.
С помощью реостата изменили силу тока в цепи и вновь измерили силу тока в цепи
и напряжение на клеммах источника тока.
4.
Повторили ещё 2 раза
5.
Результаты измерений и вычислений занесли в таблицу.
Для измерения силы тока в цепи можно использовать школьный амперметр со шкалой 0-2 А.
ВЫЧИСЛЕНИЯ:
Вывод:
Были получены результаты измерений, в ходе эксперимента работы с приборами для
определения ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.
УРОК №6
21.09.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА « Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.»
Для поддержания постоянного электрического тока в цепи необходимо подключить источник. При этом очевидно, что электростатические силы не могут поддерживать ток в цепи, так как работа этих сил по замкнутому контуру равна нулю, и кроме того, если по цепи идёт электрический ток, в ней выделяется тепло, т. е. происходят потери энергии.
В электрической цепи должны действовать силы не электростатического (не кулоновского) происхождения (сторонние силы), работа которых по замкнутому контуру не равна нулю.
Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, действующие на заряженные частицы, называется источником электрического тока.
Источники различны по своей природе, они могут преобразовывать химическую, механическую энергию, энергию светового потока и т. д. в электрическую энергию.
Первую электрическую батарею изобрёл А. Вольта в 1800 г. и получил с её помощью постоянный электрический ток. В электрической батарее химическая энергия превращается в электрическую.
Принципиальное устройство простейшей батареи.
Гальванический элемент состоит из двух электродов, которые представляют собой стержни или пластины. Одним электродом может служить медь, другим — цинк. Электроды частично погружают в электролит, например, в кислоту. Кислота постепенно растворяет цинковый электрод, в кислоту переходят положительные ионы цинка, а сам электрод заряжается отрицательно. По мере перехода ионов цинка в кислоту электролит заряжается положительно. В результате этого и некоторых химических реакций электроны стекают с медного электрода, который при этом заряжается положительно.
Отрицательно заряженный электрод называется катодом, положительно заряженный — анодом. Между катодом и анодом вследствие описанных процессов возникает разность потенциалов. Значение разности потенциалов между электродами зависит от их природы и от природы электролита.
Источники тока характеризуются электродвижущей силой (ЭДС).
ЭДС равна отношению работы сторонних сил при перемещении электрического заряда по замкнутому контуру к абсолютному значению этого заряда:
Электродвижущую силу выражают в вольтах (В).Обычно ЭДС гальванического элемента (источника тока химического происхождения) невелика, порядка 1—2 В. Если источник отключён от внешней цепи, то разность потенциалов между клеммами, подсоединёнными к электродам источника, будет больше, чем при подключении его к цепи. Часть напряжения падает на внутреннем сопротивлении r источника тока.
Источник тока характеризуется ЭДС E и внутренним сопротивлением r. Полная электрическая цепь состоит из источника тока(,E, r) и внешнего сопротивления R.
Закон Ома для полной цепи
Пусть за некоторое время ∆t через поперечное сечение проводника проходит заряд ∆q. Работа сторонних сил по перемещению заряда. На внутреннем и внешних участках цепи за счёт этой работы в цепи выделяется теплота:
Q = I(R + r) t
Количество выделившейся теплоты равно совершенной работе:
Q = А. Следовательно, I(R +r) =E
Сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС источника тока к полному сопротивлению цепи:
Вопрос 1. От каких величин зависит сила тока в цепи?
Вопрос 2. Почему провода могут расплавиться при коротком замыкании?
3. Определите ЭДС источника тока, если сила тока в цепи равна 0,1 А. Сопротивление внешней цепи 98 Ом, внутреннее сопротивление 2 Ом.
Дано: Решение
I = 0,1 А Запишем закон Ома для полной цепи:
R = 98 Ом I = ξ / (R + r ) Для ЭДС получим выражение:
R = 2Ом ξ = I(R + r)
ξ -? Сделаем расчёт: ξ = 0,1 (98 + 2) = 10 В Ответ: 10В .
Сделай сам. Вопросы и задачи для самостоятельного решения
1. Чему равно внешнее сопротивление, если цепь разомкнута?
Вопрос 1
Что называют внешним сопротивлением?
Варианты ответов
- А. Только сопротивление потребителей энергии, подключенных к источнику тока.
- Б. Полное сопротивление проводников, подключенных к источнику тока.
- В. Только сопротивление подводящих проводов.
Вопрос 2
Как формулируется закон Ома для замкнутой цепи?
Варианты ответов
- А. Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
- Б. Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна сопротивлению потребителя энергии.
- В. Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна внутреннему сопротивлению источника тока.
Вопрос 3
Рассчитайте силу тока в цепи, содержащей источник тока с ЭДС, равной 4,5 В, и внутренним сопротивлением 1 Ом при подключении во внешней цепи резистора с сопротивлением 3,5 Ом.
Варианты ответов
- А. 1 А
- Б. 2 А
- В. 0,5 А
- .
Вопрос 6
При подключении лампочки к батарее элементов с ЭДС 4, 5 В вольтметр показал напряжение на лампочке 4 В, а амперметр — силу тока 0,25 А. Каково внутреннее сопротивление батареи?
Варианты ответов
- А. 2 Ом
- Б. 4 Ом
- В. 0,5 Ом
Вопрос 7
Аккумулятор с внутренним сопротивлением 0,2 Ом и ЭДС 2 B замкнут проволокой сечением 1 мм 2 и удельным сопротивлением 10−7 Ом•м. Найдите длину проволоки, если сила тока в цепи 4 А.
Варианты ответов
- А. 6м
- Б. 4м
- В.3м
\УРОК №5
21.09.22г. ГРУППА 401. Решение задач по теме: "Работа и мощность электрического тока"
Необходимые формулы для решения задач
Работа – произведение силы тока, напряжения и времени, в течение которого протекает электрический ток.
или 
Из закона Ома получили эквивалентные формулы.
Условие задачи:
«В течение 10 мин по некоторому участку протекает электрический ток, значение которого – 250 мА. Напряжение на этом участке – 4 В. Необходимо определить мощность электрического тока, который выделяется на этом участке, и работу электрического тока, произведенную за это время».
Краткое условие задачи и решение
Дано: | СИ | Решение |
t = 10 мин U = 4 В I = 250 мА | 600 с 0,25 А |   Ответ: А = 600 Дж; Р = 1 Вт |
Найти: А – ? Р – ? |
Комментарий к решению:
10 минут – это время протекания электрического тока. Напряжение на концах участка цепи – 4 В. Сила тока определяется как 250 мА (миллиамперметры). 1 мА = 0,001 А.
Переведем все значение в интернациональную систему (СИ):
t = 10 мин = 10∙60 с = 600 с;
І = 250 мА = 250∙0,001 А = 0,25 А.
U = 4 В (так как вольт (в системе СИ) – международная единица)
Первое уравнение – это вычисление работы.
Получаем ответ: А=600 Дж.
Существует 2 варианта определения мощности:
1. Зная, что работа равна 600 Дж, а время протекания тока – 600 с, определяем мощность по формуле, или
2.
Ответ: А = 600 Дж; Р = 1 Вт
Условие задачи:
«Две лампы мощностью 25 Вт и 100 Вт включаем в электрическую цепь под напряжением 220 В. Насколько отличается сила тока в этих лампах?»
Краткое условие и решение задачи:
Дано: | Решение |
Р1 = 100 Вт Р2 = 25 Вт U = 220 В | Р= I U  I2 = P2 /U = 25/ 220 = 0, 11 A
Ответ: |
Найти:
|
Комментарий к решению:
І означает, что мы должны найти разность сил тока в одной лампе и в другой. Из формулы для вычисления мощности
Переведем все значение в интернациональную систему (СИ):
t = 10 мин = 10∙60 с = 600 с;
І = 250 мА = 250∙0,001 А = 0,25 А.
U = 4 В (так как вольт (в системе СИ) – международная единица)
Условие задачи:
«Две лампы мощностью 25 Вт и 100 Вт включаем в электрическую цепь под напряжением 220 В. Насколько отличается сила тока в этих лампах?»
Краткое условие и решение задачи:
Дано: | Решение |
Р1 = 100 Вт Р2 = 25 Вт U = 220 В | Р= I U
I2 = P2 /U = 25/ 220 = 0, 11 A
Ответ: |
Найти:
|
Комментарий к решению:
І означает, что мы должны найти разность сил тока в одной лампе и в другой. Из формулы для вычисления мощности Р= I U
выражаем силу тока в первой лампе и во второй. Получаем, что в лампе мощностью 100 Вт протекает электрический ток в 0,45 А, в лампе с мощностью 25 Вт сила тока будет 0,11 А. Следовательно, І=0,45-0,11=0,34 А.
Лампа, которая обладает большей мощностью, будет гораздо ярче светить. Это значит, что чем больше электрический ток протекает в цепи, тем ярче будет гореть лампа. Можно заметить, что мощность первой лампы в 4 раза больше второй, тем самым в 4 раза больше и сила тока. Мощность, работа, сила тока, напряжение – величины, которые между собой связаны и характеризуют действие электрического тока.
Задача № 3. Определить мощность тока в электрической лампе, если сопротивление нити акала лампы 400 Ом, а напряжение на нити 100 В.
Задача № 4. Определить силу тока в лампе электрического фонарика, если напряжение на ней 6 В, а мощность 1,5 Вт.
Задача № 5. В каком из двух резисторов мощность тока больше при последовательном (см. рис. а) и параллельном (см. рис. б) соединении? Во сколько раз больше, если сопротивления резисторов R1 = 10 Ом и R2 = 100 Ом?
Домашнее задание
1. Задача
Определите мощность электрического камина, спираль которого имеет сопротивление 500 Ом и потребляет ток 2 А.
2.С помощью каких формул можно определить работу и мощность электрического тока?
НИЖЕ ПРЕДСТАВЛЕНА ОБОБЩАЮЩАЯ ТАБЛИЦА, КОТОРАЯ ПОМОЖЕТ ВАМ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ НА ДАННУЮ ТЕМУ.
УРОК № 4
14.09.2022г. ГРУППА 401 Тема «Последовательное и параллельное соединение проводников»
1. Последовательное соединение проводников
Соединение проводников называют последовательным, если оно не содержит разветвлений, т.е. проводники расположены последовательно один за другим.
Рассмотрим участок цепи, содержащий два резисторы:
1. Сила тока в каждом из проводников одинакова: І1 = І2 = I.
2. Напряжение на двух проводниках: U = U1 + U2.
3. Общее сопротивление проводников: R = R1 + R2.
4.При последовательном соединении двух проводников напряжение на каждом проводнике прямо пропорциональна его сопротивлению:
При последовательном соединении n проводников выполняются следующие соотношения:
• общее сопротивление проводников, соединенных последовательно, больше сопротивления каждого из этих проводников;
• общее сопротивление R последовательно соединенных проводников, каждый из которых имеет сопротивление R', равен R = nR', где n - число проводников.
2. Параллельное соединение проводников
Соединение проводников называют параллельным, если для протекания тока есть два или более пути ветки и все эти ветви имеют одну пару общих точек - узлов.
В узлах происходит разветвление цепи (в каждом узле соединяются не менее трех проводов). Таким образом, разветвление является характерным признаком цепи с параллельным соединением проводников.
Рассмотрим участок цепи, содержащий два параллельно соединенных резисторов:
1. Общее напряжение на участке и напряжение на каждом из двух резисторов одинаковы: U = U1 = U2.
2. Сила тока в неразветвлённой части цепи равна сумме сил токов в отдельных ветвях: I = I1 + I2.
3. Общее сопротивление проводников:
4. В случае параллельного соединения двух проводников сила тока в каждой ветви обратно пропорциональна ее сопротивлению:
При параллельном соединении проводников выполняются следующие соотношения:
Необходимо обратить внимание:
• общее сопротивление проводников, соединенных параллельно, меньше сопротивления каждого из этих проводников;
• общее сопротивление R параллельно соединенных проводников, каждый из которых имеет сопротивление R' , равен R = R’/n , где n - число проводников.
В случае двух проводников их общее сопротивление
3. Измерения силы тока и напряжения
Для измерения силы тока и напряжения используют рассмотренные выше соединения. Так, например, во время измерения силы тока в резисторе сила тока в амперметре должна быть такой же, как и в резисторе. Следовательно, амперметр стоит присоединять последовательно к резистору. Включение амперметра для измерения силы тока не должно существенно изменять эту силу тока. Следовательно, сопротивление участка цепи после включения амперметра (R + RA) должен быть очень близким к сопротивлению резистора R, а для этого сопротивление амперметра должен быть намного меньше, чем сопротивление резистора: RA R. Такой маленький сопротивление делает амперметр очень «уязвимым»: амперметр нельзя подключать напрямую к источнику тока без нагрузки, потому что через маленькое сопротивление сила тока в амперметрі будет слишком большой и он выйдет из строя.
Измеряя напряжение на резисторе с помощью вольтметра, напряжение на вольтметре должна быть такой же, как на резисторе. Поэтому вольтметр следует подключать к резистору параллельно. Общее сопротивление Ryч участка цепи в этом случае не может существенно отличаться от сопротивления R резистора. Из соотношения следует, что то есть RV >> R.
Следовательно, сопротивление вольтметра должно быть очень значительным. Поэтому его можно подключать непосредственно к источнику тока.
ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Первый уровень
1. Какое соединение проводников называют последовательным?
2. Какое соединение проводников называют параллельным?
3. Какая из электрических величин одинакова для всех проводников, соединенных последовательно? параллельно?
4. Какое сопротивление должен иметь амперметр? вольтметр?
Второй уровень
1. Три проводника, сопротивления которых R, 2R и 3R, включили в круг последовательно. Одинаковой силы ток пройдет по этих проводниках? Одинаковая ли напряжение на каждом из них?
2. Три проводника, сопротивления которых R, 2R и 3R, включили в круг параллельно. Одинаковая ли напряжение на каждом из них? Одинаковой силы ток пройдет по этих проводниках?
ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА
1. Елочная гирлянда спаяна из лампочек для карманного фонарика. При включении этой гирлянды в сеть на каждую из лампочек приходится напряжение 6 В. Почему же опасно, выкрутив одну из лампочек, сунуть в патрон палец?
2. Кусок проволоки разрезали на две части и скрутили по всей длине вместе. Как изменилось сопротивление проволоки?
3. Ученик, измеряя силу тока в лампочке, по ошибке включил вольтметр вместо амперметра. Что при этом произошло?
1. Четыре одинаковых резисторы соединили сначала последовательно, а затем параллельно. За которого соединение общее сопротивление резисторов больше? Во сколько раз?
2. Пять резисторов соединены так, как показано на рисунке. Определите общее сопротивление цепи, если
3. На рисунке приведена схема участка электрической цепи. Определите общее сопротивление этого участка.
ЧТО МЫ УЗНАЛИ
Во время последовательного соединения:
Во время параллельного соединения:
ЗАДАНИЕ:
1. Запишите определения:
а ) какое соединение называется последовательным? Зарисуйте схему этого соединения.
Б) Чему равны общая сила тока, напряжение и сопротивление? Запишите формулы.
В) какое соединение называется параллельным? Зарисуйте схему этого соединения. Запишите чему ешите задачуравны сила тока, напряжение и сопротивление при параллельном соединении? Запишите формулы
14.09.2022г. ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА. «РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ «ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ»
Прежде, чем приступить к решению задач, давайте вспомним, как формулируется Закон Ома для участка цепи, каковы обозначение величин: силы тока, напряжения, сопротивления и их единицы измерения. В этом вам поможет таблица:
Обратите внимание на схему соединения амперметра и вольтметра, а также на графики зависимости: 1 –между силой тока и приложенным напряжением; 2 – между силой тока и сопротивлением проводника.
Далее приступаем к решению задач.
Задача 1. Какова сила тока в резисторе, если его сопротивление 12 Ом, а напряжение 120 В?
Задача 2. Сопротивление проводника 6 Ом, а сила тока в нём 0,2 ампера. Определите напряжение на концах проводника
Задача 3. Определите сопротивление проводника, если при напряжении 110 В сила тока в нём 2 ампера.
Задача 4. По графикам зависимости силы тока от напряжения определите сопротивление каждого проводника.
РЕШЕНИЕ
Задача 5. Чему равна сила тока в электрической лампе карманного фонарика, если сопротивление нити накала равно 16,6 Ом, а лампа подключена к батарейке напряжением 2,5 В?
Ответ: I=0,15 А
Задача 6. При напряжении 110 В ток проведен к резистору, сила тока в нём равна 5 А. Какова будет сила тока в резисторе, если напряжение увеличить на 10 В?
Задача 7. Показание вольтметра, присоединённого к горящей электрической лампе накаливания, равно 120 В, а амперметра, измеряющего силу тока в лампе, 0,5 А. Чему равно сопротивление в лампе? Начертите схему включения лампы, вольтметра и амперметра.
А теперь, пожалуйста, решите задачи самостоятельно. Это будет ваше задание.
Задача 1. Электрический утюг включили в сеть с напряжением 220 В. Какова сила тока в нагревательном элементе утюга, если сопротивление равно 48,4 Ом?
Задача 2. Чему равно сопротивление спирали электрической лампы, у которой на цоколе написано 6,3 В; 0,22 А?
Задача 3. По вольфрамовой проволоке длиной 3м протекает ток силой 0,04А. Проволока находится под напряжением 5 В. Определите величину площади поперечного сечения проволоки.
(Удельное сопротивление вольфрама ρ = 0,055 Ом∙ мм2 /м )
ЖЕЛАЮ УСПЕХА!
07.09..2022г ГРУППА 401. ФИЗИКА. ТЕМА «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. СИЛА ТОКА»
1. При каких условиях возникает и существует электрический ток?
Свободные заряженные частицы в проводниках движутся непрерывно и хаотично. Если же свободным заряженным частицам передать еще и стремящейся движение, то через любое сечение проводника будет переноситься заряд.
Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц.
Для возникновения и существования электрического тока необходимы:
• наличие свободных заряженных частиц - носителей тока;
• наличие электрического поля, действие которого создает и поддерживает направленный движение свободных заряженных частиц.
За создание электрического поля «отвечают» источники тока.
Ø Источники электрического тока - устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую энергию.
В источниках электрического тока выполняется работа по разделению электрических зарядов, в результате чего на одном полюсе источника накапливается положительный заряд, а на другом - отрицательный. Примером источников тока могут служить аккумуляторы и гальванические элементы.
2. Сила тока
Когда по проводнику протекает электрический ток через поперечное сечение проводника ежесекундно переносится некоторый электрический заряд. Для оценки электрических зарядов, проходящих через проводник, была введена специальная физическая величина - сила электрического тока.
Ø Сила тока I - это физическая величина, характеризующая электрический ток и равна отношению заряда ∆ q, переносимого через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку:
Если сила тока не изменяется со временем, то такой ток называют постоянным. Сила постоянного тока I в проводнике численно равна заряду q, перенесенного через поперечное сечение проводника за единицу времени:
В системе СИ силу тока измеряют в амперах (А). Ампер является одной из основных единиц системы СИ и определяется с помощью магнитного взаимодействия токов. За силы тока в 1 А через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит заряд в 1 Кл (1 А = 1 Кл/с).
Прибор для измерения силы тока называют амперметром. Амперметр включают в электрическую цепь последовательно с проводником, в котором измеряют силу тока.
Ø Электрическое сопротивление - это физическая величина, характеризующая свойство проводника противодействовать электрическому току.
В СИ единицей электрического сопротивления является 1 Ом (это сопротивление такого проводника, в котором протекает ток силой 1 А при напряжении 1 В).
Сопротивление проводника зависит от материала и геометрических размеров проводника. Зависимость электрического сопротивления от размеров проводника имеет вид:
Ø Удельное сопротивление проводника - это физическая величина, характеризующая электрические свойства вещества и численно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2.
Поскольку ρ = RS/l, единица удельного сопротивления в СИ:
Простейшая электрическая цепь представляет собой соединение проводников в определенном порядке: источник тока, потребитель электрической энергии, нормально разомкнутый контакт (размыкающий) устройство, соединительные провода. Каждый элемент электрической цепи на схемах имеет условное обозначение.
Необходимо обратить внимание на то, что направлением тока в проводнике условно считают направление, в котором двигались бы положительно заряженные частицы, т.е. направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.
ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА
Первый уровень
1. Что представляет собой электрический ток?
2. Существует ток в замкнутой электрической цепи?
3. Дайте характеристику силе тока как физической величины..
4. Как на электрических схемах изображают гальванический элемент?
2). Учимся решать задачи
1. Сила тока в проводнике электрической лампы I = 0,16 А. Сколько электронов проходит по кругу ежеминутно?
Решение. За 60 с через поперечное сечение проводника проходит заряд q = It. Поскольку заряд электрона по модулю равна e, соответствующее количество электронов
Проверив единицы величин и подставив числовые значения, получаем: N = 6 · 1019.
РЕШИТЕ САМОСТОЯТЕЛЬНО
ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ
• Электрическим током называют обращен движение заряженных частиц.
• Источники электрического тока - устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую энергию.
• Сила тока I - это физическая величина, которая характеризует электрический ток и равна отношению заряда ∆ q, переносимого через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку:
• Электрическое сопротивление - это физическая величина, характеризующая свойство проводника противодействовать электрическому току.
• Удельное сопротивление проводника - это физическая величина, характеризующая электрические свойства вещества и численно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2:
• Направлением тока в проводнике условно считают направление, в котором двигались бы в цепи положительно заряженные частицы.
Задание: 1.запишите выводы в тетради, предварительно записав тему урока.
2.запишите ответы на вопросы.
3.запишите решение самостоятельной задачи
ЖЕЛАЮ УСПЕХА!
Комментариев нет:
Отправить комментарий