403

УРОК №42

20.03.2023г.  ГРУППА 403     ФИЗИКА.  Контрольная работа по теме «КВАНТОВЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА».

1 ВАРИАНТ.

1.Корпускулярные свойства света проявляются во время:

А) Дисперсии                        в)  Фотоэффекта

Б) дифракции                       г)   интерференции

2.  На поверхность металла падает излучение. Скорость фотоэлектронов, вылетающих из металла, зависит:

А) от расстояния до источника излучения      

Б)  интенсивности падающего света

В)  угла падения излучения на поверхность металла

Г) частоты излучения источника.

3. По какой формуле можно вычислить импульс  фотона?

А)   h √                              б)    h/λ                             в)    hc /λ                         г)  mc²

4.Установить соответствие между названием физической величины и её определением:

А) частота излучения                                    1. λ

Б) импульс фотона                                        2.  √

В)  энергия кванта излучения                     3.  p

Г)  скорость фотоэлектронов                      4.  E

                                                                           5.   v

5. Установить соответствие между названием физической величины и её единицей измерения:

А)  импульс фотона                                        1. Па

Б)    энергия излучения                                 2. Н с

В)  длина волны                                              3. Н

Г)  давление света                                          4. Е

                                                                             5. м

6. Задерживающее напряжение зависит:

А)  от максимальной кинетической энергии           б) частоты падающего света

В)  от падающего светопотока                                    г)  массы электрона

 7.  Кто из учёных удостоен Нобелевской премии  за работы по теории фотоэффекта:

А)  Планк        б) Столетов     в) Эйнштейн          г) Ньютон

 8.Чему равна энергия фотона, соответствующая световой волне частотой 

6,3∙ 10¹⁴ Гц?

А) 10^-27 Дж        б)  1,35∙ 10²³ Дж           в)  3∙ 10^-19  Дж               г)  4.2∙ 10^-19 Дж

 9. Модуль импульса фотона в первом пучке света в 2 раза больше, чем во втором. Отношение частоты света первого пучка к частоте второго равно:

1.    1                           2.  2                             3.  ½

 10  В каком случае фотоэффект возможен?

А)  h√ ≥ A                 б)   h√ ≤ A                       в)    h√ = A

 ЗАДАЧА.

Определите длину волны ультрафиолетового света, падающего на пластинку из цинка, если скорость вылетающих из неё  электронов равна 2000км/с. Работа  выхода электрона из цинка равна 6,4∙ 10^-19 Дж.  Постоянная Планка равна  6,63∙ 10 Дж∙ с.

УРОК №41

15.03.2023г. ГРУППА  403.  ФИЗИКА.   ТЕМА «ТИПЫ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ. ПРИМЕНЕНИЕ"

Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент, использующий явление внешнего фотоэффекта

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

Подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы^[1]. Действие прибора основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте^[2]. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии

Фотоэлемент на основе мультикристаллического кремния

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (ФЭП), поскольку это прямой, одноступенчатый переход энергии. КПД производимых в промышленных масштабах фотоэлементов в среднем составляет 16 %, у лучших образцов до 25 %^[3]. В лабораторных условиях уже достигнуты КПД 43,5 %^[4], 44,4 %^[5], 44,7 %^[6].

Отсутствие выпрямительных диодов и эффективных антенн на частоты электромагнитного излучения, соответствующие свету, пока не позволяет создавать фотоэлектрические преобразователи, использующие свойства кванта как электромагнитной волны, наводящей переменную ЭДС в дипольной антенне, хотя, теоретически, это возможно. От таких устройств можно было бы ожидать не только лучшего КПД, но и меньших температурной зависимости и деградации со временем.

Физический принцип работы фотоэлемента

Преобразование энергии в ФЭП основано на фотоэлектрическом эффекте, который возникает в неоднородных полупроводниковых структурах при воздействии на них солнечного излучения.

Неоднородность структуры ФЭП может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов) или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Эффективность преобразования зависит от электрофизических характеристик неоднородной полупроводниковой структуры, а также оптических свойств ФЭП , среди которых наиболее важную роль играет фотопроводимость. Она обусловлена явлениями внутреннего фотоэффекта в полупроводниках при облучении их солнечным светом.

Основные необратимые потери энергии в ФЭП связаны с:

• отражением солнечного излучения от поверхности преобразователя,
• прохождением части излучения через ФЭП без поглощения в нём,
• рассеянием на тепловых колебаниях решётки избыточной энергии фотонов,
• рекомбинацией образовавшихся фото-пар, на поверхностях и в объёме ФЭП,
• внутренним сопротивлением преобразователя,
• и некоторыми другими физическими процессами.

Для уменьшения всех видов потерь энергии в ФЭП разрабатываются и успешно применяется различные мероприятия. К их числу относятся:

• использование полупроводников с оптимальной для солнечного излучения шириной запрещённой зоны;
• направленное улучшение свойств полупроводниковой структуры путём её оптимального легирования и создания встроенных электрических полей;
• переход от гомогенных к гетерогенным и варизонным полупроводниковым структурам;
• оптимизация конструктивных параметров ФЭП (глубины залегания p-n перехода, толщины базового слоя, частоты контактной сетки и др.);
• применение многофункциональных оптических покрытий, обеспечивающих просветление, терморегулирование и защиту ФЭП от космической радиации;
• разработка ФЭП, прозрачных в длинноволновой области солнечного спектра за краем основной полосы поглощения;
• создание каскадных ФЭП из специально подобранных по ширине запрещённой зоны полупроводников, позволяющих преобразовывать в каждом каскаде излучение, прошедшее через предыдущий каскад, и пр.;

Также существенного повышения КПД ФЭП удалось добиться за счёт создания преобразователей с двухсторонней чувствительностью (до +80 % к уже имеющемуся КПД одной стороны), применения люминесцентно-переизлучающих структур, линз Френеля, предварительного разложения солнечного спектра на две или более спектральные области с помощью многослойных плёночных светоделителей (дихроичных зеркал) с последующим преобразованием каждого участка спектра отдельным ФЭП и т. д.

Фотоэлементы промышленного назначения

На солнечных электростанциях (СЭС) можно использовать разные типы ФЭП, однако не все они удовлетворяют комплексу требований к этим системам:

• высокая надёжность при длительном (до 25—30 лет) ресурсе работы;
• высокая доступность сырья и возможность организации массового производства;
• приемлемые с точки зрения сроков окупаемости затрат на создание системы преобразования;
• минимальные расходы энергии и массы, связанные с управлением системой преобразования и передачи энергии (космос), включая ориентацию и стабилизацию станции в целом;
• удобство техобслуживания.

Некоторые перспективные материалы трудно получить в необходимых для создания СЭС количествах из-за ограниченности природных запасов исходного сырья или сложности его переработки. Отдельные методы улучшения энергетических и эксплуатационных характеристик ФЭП, например за счёт создания сложных структур, плохо совместимы с возможностями организации их массового производства при низкой стоимости и т. д.^{[источник не указан 3945 дней]}

Высокая производительность может быть достигнута лишь при организации полностью автоматизированного производства ФЭП, например, на основе ленточной технологии, и создании развитой сети специализированных предприятий соответствующего профиля, то есть фактически целой отрасли промышленности, соизмеримой по масштабам с современной радиоэлектронной промышленностью^{[источник не указан 3945 дней]}. Изготовление фотоэлементов и сборка солнечных батарей на автоматизированных линиях обеспечит многократное снижение себестоимости батареи.

Наиболее вероятными материалами для фотоэлементов СЭС считаются кремний, Cu(In,Ga)Se₂ и арсенид галлия (GaAs ).

Вот некоторые области использования фотоэлементов в нашей жизни:

• По этой схеме фотоэлементы могут управлять работой двигателей, станков, целых систем. Они прочно вошли в нашу жизнь.
• Фотореле пропускает нас в метро. Электронный глаз следит за движением нити в текстильном производстве. Миниатюрные фотоэлементы зарегистрируют ее обрыв и остановят станок.
• Их используют для измерения площади заготовок сложной формы. В считанные секунды определяется площадь лекала. Фотореле строго следит за раскроем кожи, ткани, и обеспечивает безопасность работы на прессе.
• На станке для плазменной резки металла фотоэлементы также управляют его работой. Они считывают информацию с перфоленты, и задают режимы работы станка.
• В типографии они считают бумажные листы, следят за их правильной укладкой и резкой. Ведут постоянный контроль за циклом работы станка, обеспечивая безопасность работы резчика бумаги.
• На почтамте фотоэлементы позволили автоматизировать трудоемкие операции по обработке писем и сортировки их по адресам. Электронный глаз внимательно следит за тем, чтобы штемпель точно попал на марку. Фотоэлектронная система считывает индекс, обозначенный на конверте, и направляет письмо в нужную ячейку.
• В ювелирном производстве фотоэлементы стали контролерами качества обработки драгоценных камней. Фотоэлектронный глаз представляет собой матрицу, состоящую из нескольких тысяч отдельных фотоэлементов.
• Звук в кино записывается на звуковую дорожку. Фотоэлемент его расшифровывает, и управляет работой звуковых динамиков. Изображение на фотопленке и в глазу человека возникает благодаря фотоэффекту.
• Роботы-автоматы выполняют технологические операции, за которыми не может следить человек. В промышленности робот движется, ориентируясь по белой линии на полу, благодаря системе, оснащенной фотоэлементами.
• Прогресс науки и техники в самых разных областях народного хозяйства во многом стал возможен благодаря широкому использованию фотоэлементов.

ЗАДАНИЕ.

1. Подготовьте конспект

2.Подготовьте презентацию по этой теме

 

УРОК № 40

13.03.2023г. ГРУППА  403. ФИЗИКА. ТЕМА «РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ «ФОТОЭФФЕКТ И ЕГО ЗАКОНЫ»

Ребята! Пожалуйста, вспомните формулы по этой теме и запишите их в тетрадь. Потом запишите решение 4-х задач и ответьте на вопросы теста.

Задача №1 Найти энергию фотона ε (в Дж) для электромагнитного излучения с частотой √  =100⋅ 10 ¹⁴Гц .

Решение

Это типичная задача на энергию фотона. Применим формулу: ε=hcλ=h√ Здесь h - постоянная Планка.

Произведем расчет:

ε=6,63⋅10^-34⋅10⋅10¹⁴ = 6,63⋅10^-18 Дж

 Ответ: ε=6,63⋅10−18 Дж .

 Задача №2   При фиксированной частоте падающего света в опытах №1 и №2 получены вольтамперные характеристики фотоэффекта (см. рис.).

Величины фототоков насыщения равны I₁ и I₂, соответственно. Найти отношение числа фотоэлектронов N₁ к N₂  в этих двух опытах.

 I₁  =13,5 мкА  I₂=10,6 мкА

 Решение       Вольтамперная характеристика фотоэффекта показывает зависимость тока от напряжения между электродами. При выходе тока на насыщение все фотоэлектроны, выбитые из фотокатода, попадают на анод. Таким образом, величина тока насыщения пропорциональна числу фотоэлектронов. Тогда: N₁ /N₂ =  I₁ /I₂ = 13,5 / 10,6=1,27

Ответ: 1,27 .

 Задача №3  На поверхность металла падают монохроматические лучи с длиной волны 0,1 мкм. Красная граница фотоэффекта 0,3 мкм. Какая доля энергии фотона расходуется на сообщение электрону кинетической энергии?

 Решение  Энергия падающего фотона равна: ε=hc/λ

Далее для решения задачи применили уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, которое можно записать в виде: hc/λ=hc/λ₀+Eк     

 Отсюда найдем кинетическую энергию: Eк=hc/λ−hc/λ₀   = hc(1/λ−1/λ₀) =

=hc (λ₀   - λ) / λ∙λ₀

 Чтобы найти искомую долю, разделим кинетическую энергию на энергию фотона: 

 W = Е _к /έ =hc (λ₀  -λ)∙λ / λ₀∙λ∙hc =λ₀ – λ /λ₀ =3∙10^-7 – 10^-7 / 3 ∙ 10^-7 =0,667

Ответ: w = 0,667    

Задача №4    Максимальная энергия фотоэлектронов, вылетающих из металла при его освещении лучами с длиной волны 325 нм, равна T_max=2,3⋅¹⁰. Определите работу выхода и красную границу фотоэффекта.

 Решение

Формула Эйнштейна для фотоэффекта имеет вид: hϑ=hc/λ=A+Еmax

 Отсюда работа выхода A равна: A=hc/λ−Еmax

Красная граница фотоэффекта определяется условием Еmax=0 , поэтому получаем: A=hc/λ₀ /      λ₀=hc/А     

  Найдем:

A=6,63⋅10^-34⋅3 10⁸ /3,25⋅10^-7−2,3⋅10^-9=  3,81⋅10^-19 Дж

 λ0=6,63⋅10^-34⋅3⋅10⁸ / 3,81⋅10^-19=520 ∙10^-9 м =520 нм

  Ответ: A=3,81⋅10^-19 Дж;     λ₀=520 нм .

 1.  Вопросы с ответами на тему «Фотоны и фотоэффект»

 Вопрос 1. В чем суть фотоэффекта).

Вопрос 2. Что такое ток насыщения?

Вопрос 3. Что такое красная граница фотоэффекта?.

Вопрос 4. Что такое работа выхода?

Вопрос 5. Что такое квант в физике?.

 2.Ответьте на вопросы теста

1. Фотоэффект – это вырывание _________ из вещества под действием _________

Обвести кружком номер правильного ответа:

2. Фотоэффект наблюдается в случае:

1) 2)

3.Фотоэффект происходит при условии если

1) hυ > А 2) hυ < А 3) при любом соотношении hυ и А

4. Энергия кванта пропорциональна…

1) длине волны

2) частоте колебаний

3) скорости фотона

5. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов возрастает линейно

1) с частотой света

2) с импульсом фотоэлектронов

3) с интенсивностью света

Обведите кружком номера всех правильных ответ

 

 

 УРОК № 37-38

07.03.2023г. ГРУППА 403. ФИЗИКА. Тема «Квантовые свойства света. ФОТОЭФФЕКТ И ЕГО ЗАКОНЫ»

       В начале 20-го века в физике произошла величайшая революция. Попытки объяснить наблюдаемые на опытах закономерности  распределения энергии в спектрах теплового излучения оказались несостоятельными. Законы электромагнетизма Максвелла неожиданно «забастовали». Противоречия между опытом и практикой были разрешены немецким физиком Максом Планком.

Гипотеза Макса Планка: атомы испускают электромагнитную энергию не непрерывно, а отдельными порциями – квантами. Энергия Е каждой порции прямо пропорциональна частоте ν излучения света: E = hν.

Коэффициент пропорциональности получил название постоянной Планка, и она равна:

h = 6,63 ∙ 10^-34 Дж∙с.

После открытия Планка начала развиваться самая современная и глубокая физическая теория – квантовая физика.

Квантовая физика - раздел теоретической физики, в котором изучаются квантово-механические и квантово-полевые системы и законы их движения.

Поведение всех микрочастиц подчиняется квантовым законам. Но впервые квантовые свойства материи были обнаружены именно при исследовании излучения и поглощения света.

В 1886 году немецкий физик Густав Людвиг Герц обнаружил явление электризации металлов при их освещении.

Явление вырывания электронов из вещества под действием света называется внешним фотоэлектрическим эффектом.

Законы фотоэффекта были установлены в 1888 году профессором московского университета Александром Григорьевичем Столетовым.

Схема установки для изучения законов фотоэффекта

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения - максимальное число фотоэлектронов, вырываемых из вещества за единицу времени, - прямо пропорционален интенсивности падающего излучения

Зависимость силы тока от приложенного напряжения

Увеличение интенсивности света означает увеличение числа падающих фотонов, которые выбивают с поверхности металла больше электронов.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего излучения и линейно возрастает с увеличением частоты падающего излучения.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует граничная частота такая, что излучение меньшей частоты не вызывает фотоэффекта, какой бы ни была интенсивность падающего излучения. Эта минимальная частота излучения называется красной границей фотоэффекта.

hν_min = A_в                                           

где А_в – работа выхода электронов;

h – постоянная Планка;

ν_min - частота излучения, соответствующая красной границе фотоэффекта;

с – скорость света;

λкр – длина волны, соответствующая красной границе_.

Фотоэффект практически безинерционен: фототок возникает одновременно с освещением катода с точностью до одной миллиардной доли секунды.

Работа выхода – это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Для большинства веществ фотоэффект возникает только под действием ультрафиолетового облучения. Однако некоторые металлы, например, литий, натрий и калий, испускают электроны и при облучении видимым светом.

Известно, что фототоком можно управлять, подавая на металлические пластины различные напряжения. Если на систему подать небольшое напряжение обратной полярности, "затрудняющее" вылет электронов, то ток уменьшится, так как фотоэлектронам, кроме работы выхода, придется совершать дополнительную работу против сил электрического поля.

Максимальная кинетическая энергия электронов выражается через задерживающее напряжение:

               U_з ∙ e = E_k

где -E максимальная кинетическая энергия электронов;

e – заряд электрона;U – задерживающее напряжение.

Теорию фотоэффекта разработал Альберт Эйнштейн. На основе квантовых представлений Эйнштейн объяснил фотоэффект. Электрон внутри металла после поглощения одного фотона получает порцию энергии и стремится вылететь за пределы кристаллической решетки, т.е. покинуть поверхность твердого тела. При этом часть полученной энергии он израсходует на совершение работы по преодолению сил, удерживающих его внутри вещества. Остаток энергии будет равен кинетической энергии:

  hν = A + E

           В 1921 году Альберт Эйнштейн стал обладателем Нобелевской премии, которая, согласно официальной формулировке, была вручена «за заслуги перед теоретической физикой и особенно за открытие закона фотоэлектрического эффекта».

Если фотоэффект сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внешним фотоэффектом или фотоэлектронной эмиссией, а вылетающие электроны - фотоэлектронами. Если фотоэффект не сопровождается вылетом электронов с поверхности вещества, то его называют внутренним.

ТЕСТ

1.Корпускулярные свойства света проявляются во время:

А) Дисперсии                        в)  Фотоэффекта

Б) дифракции                       г)   интерференции

2.  На поверхность металла падает излучение. Скорость фотоэлектронов, вылетающих из металла, зависит:

А) от расстояния до источника излучения      

Б)  интенсивности падающего света

В)  угла падения излучения на поверхность металла

Г) частоты излучения источника.

3. По какой формуле можно вычислить импульс  фотона?

А)   h √                              б)    h/λ                             в)    hc /λ                         г)  mc²

4.Установить соответствие между названием физической величины и её определением:

А) частота излучения                                    1. λ

Б) импульс фотона                                        2.  √

В)  энергия кванта излучения                     3.  p

Г)  скорость фотоэлектронов                      4.  E

                                                                           5.   v

5. Установить соответствие между названием физической величины и её единицей измерения:

А)  импульс фотона                                        1. Па

Б)    энергия излучения                                 2. Н с

В)  длина волны                                              3. Н

Г)  давление света                                          4. Е

                                                                             5. м

6. Задерживающее напряжение зависит:

А)  от максимальной кинетической энергии           б) частоты падающего света

В)  от падающего светопотока                                    г)  массы электрона

 

7.  Кто из учёных удостоен Нобелевской премии  за работы по теории фотоэффекта:

А)  Планк        б) Столетов     в) Эйнштейн          г) Ньютон

 

8.Чему равна энергия фотона, соответствующая световой волне частотой 

6,3∙ 10¹⁴ Гц?

А) 10^-27 Дж        б)  1,35∙ 10²³ Дж           в)  3∙ 10^-19  Дж               г)  4.2∙ 10^-19 Дж

 

9. Модуль импульса фотона в первом пучке света в 2 раза больше, чем во втором. Отношение частоты света первого пучка к частоте второго равно:

1.    1                           2.  2                             3.  ½

 

10  В каком случае фотоэффект возможен?

А)  h√ ≥ A                 б)   h√ ≤ A                       в)    h√ = A 

  УРОК № 36

06.03.2023г. ГРУППА 403 Контрольная работа «ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА»

 ВАРИАНТ 1

Часть А. Выберите один верный ответ.

1.     Каким должен быть угол падения, чтобы отраженный луч со­ставлял с падающим лучом угол 50⁰?

1) 20° 2) 25⁰ 3) 50⁰ 4) 100⁰

1.     Непрозрачный круг освещается точечным источником света и отбрасывает круглую тень на экран. Определите диаметр тени, если диаметр круга 0,1 м. Расстояние от источника света до круга в 3 раза меньше, чем расстояние до экрана.

1) 0,03 м 2) 0,3 м 3)0,1 м 4) 3 м

1.     Луч света падает на границу раздела двух сред под углом 45⁰ и преломляется под утлом 30⁰. Каков относительный показатель пре­ломления второй среды относительно первой?

1) 2) /2 3) 1/2 4) 2

1.     Оптическая сила линзы равна 5 дптр. Это означает, что...

1) линза собирающая с фокусным расстоянием 2 м 2) линза собирающая с фокусным расстоянием 20 см

3) линза рассеивающая с фокусным расстоянием 2 м 4) линза рассеивающая с фокусным расстоянием 20 см

5. На рисунке показан ход лучей, преломленных собирающей линзой. В какой точке находится фокус этой линзы?                                      

1) А 2) А, Б 3) Б 4) В

Собирающая линза, используемая в качестве лупы, дает изо­бражение

1.     действительное увеличенное 2) мнимое уменьшенное

1.     мнимое увеличенное 4) действительное уменьшенное

7. Используя график зависимости между расстоянием f от соби­рающей линзы до изображения предмета и расстоянием d от линзы до предмета, определите фо кусное расстояние линзы.

1.     10 см

2.     15 см

3.     20 см

4.     30 см

Часть В.

8. Установите соответствия положений предмета на главной оптической оси линзы, указанных в левом столбце таблицы с по­лучаемыми изображениями в правом столбце.

Положение предмета	Характеристики изображения
А) линза собирающая, предмет между линзой и фокусом	1) действительное, увеличенное
Б) линза рассеивающая, предмет между линзой и фокусом	2) действительное, уменьшенное
В) линза собирающая, предмет между фокусом и двойным фокусом	1.     мнимое, увеличенное
	1.     мнимое, уменьшенное

Решите задачи.

1.     Определите построением, где находятся оптический центр О тонкой линзы и ее фокусы, если MN — главная оптическая ось лин­зы, А — светящаяся точка, А₁ — ее изображение.

2.    

Привести подробное объяснение по

Часть С.

1.     Высота предмета равна 5 см. Линза дает на экране изображе­ние высотой 15 см. Предмет передвинули на 1,5 см от линзы и, пе­редвинув экран на некоторое расстояние, снова получили четкое изображение высотой 10 см. Найти фокусное расстояние линзы.

 

 ВАРИАНТ 2

Часть А. Выберите один верный ответ.

1.     Луч света падает на плоское зеркало. Угол отражения равен 12⁰. Угол между падающим лучом и зеркалом

1) 12⁰ 2) 24⁰ 3) 102⁰ 4) 78⁰

1.     Предмет, освещенный маленькой лампочкой, отбрасывает тень на стену. Высота предмета 0,07 м, высота его тени 0,7 м. Расстояние от лампочки до предмета меньше, чем от лампочки до стены в

1.     7 раз 2) 10 раз 3) 9 раз 4) 11 раз

1.     Синус предельного угла полного внутреннего отражения на границе стекло-воздух ранен 8/13. Абсолютный показатель пре­ломления стекла приблизительно равен

1.     1,63 2) 1,25 3) 1,5 4) 0,62

1.     Оптическая сила линзы равна -5 дптр. Это означает, что...

1) линза собирающая с фокусным расстоянием 2 м 2) линза собирающая с фокусным расстоянием 20 см

3) линза рассеивающая с фокусным расстоянием 2 м 4) линза рассеивающая с фокусным расстоянием 20 см

1.     Параллельный пучок лучей, падающих на линзу, всегда пере­секается в одной точке, находящейся

1.     в оптическом центре 2) в фокусе 3) на фокальной плоскости 4) в удвоенном фокусе

6. Изображение на сетчатке глаза

1.     действительное увеличенное 2) мнимое уменьшенное 3) мнимое увеличенное

4) действительное уменьшенное

7. Используя график зависимости между расстоянием f от собирающей линзы до изображения предмета и расстоянием d от линзы до предмета, определите      фокусное расстояние линзы.

1) 10 см 2) 15 см 3) 20 см 4) 30 см

Часть В.

8. Установите соответствия положений предмета на главной оптической оси линзы, указанных в левом столбце таблицы с по­лучаемыми изображениями в правом столбце.

Положение предмета	Характеристики изображения
А) линза рассеивающая, предмет между линзой и фокусом	1) действительное, увеличенное
Б) линза собирающая предмет за двойным фокусом	2) действительное, уменьшенное
В) линза рассеивающая, предмет между фокусом и двойным фокусом	3) мнимое, увеличенное
	4) мнимое, уменьшенное

Решите задачи.

9. Определить построением положение фокусов линзы, если заданы главная оптическая ось MN и ход произвольного луча.

Привести подробное объяснение построений.

Часть С.

1.     Линза дает действительное изображение предмета с увеличением, равным 3. Каким будет увеличение, если на место первой линзы по­ставить другую с оптической силой вдвое большей?

УРОК № 35

06.03.2023г. ГРУППА 403. ФИЗИКА. ТЕМА «ШКАЛА ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН».

Вселенная – это океан электромагнитных излучений. Люди живут в нем, по большей части, не замечая пронизывающих окружающее пространство волн. Греясь у камина или зажигая свечу, человек заставляет работать источник этих волн, не задумываясь об их свойствах. Но знание - сила: открыв природу электромагнитного излучения, человечество в течение XX столетия освоило и поставило к себе на службу самые различные его виды.

Физическая разминка 

1) Способ передачи тепла с помощью инфракрасных волн  (Излучение.)

2) Цвет, стоящий в спектре рядом с жёлтым цветом .(Зелёный)

3) Как называется учение о свете? (Оптика)

4) Учёный, открывший явление дисперсии света  (Ньютон)

5) Явление, огибания волнами препятствий.    (Дифракция)

Мы знаем, что длина электромагнитных волн бывает самой разной. Свет составляет ничтожную часть широкого спектра электромагнитных волн. При изучении этой малой части спектра были открыты другие излучения с необычными свойствами. Принято выделять низкочастотное излучение, радиоизлучение, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и γ-излучение.

Вид излучения	источник	приемник	диапазон	свойства	применение
Радиоволны     Инфракрасное   Видимое   Ультрафиолетовое   Рентгеновское   Гамма излучение	Открытый колебательный контур   Нагретое тело   Нагретое тело до 800С   Солнце, кварцевые лампы     Рентгеновская трубка   Радиоактивные ядра	Антенна     Болометр, тепловизор   Глаз   Фотопластинки     Фотопленка Дозиметры, счетчик Гейгера	3кГц-3∙1012 Гц 1012 Гц -1014 Гц   4 ∙1014 8∙ 1014 Гц 1014 Гц 1016 Гц 1015 -10 20 Гц   Более 1020 Гц	Несет информацию,отражается от ионосферы   Нагревает поверхность   Вызывает зрительные образы   Ионизация, загар,дезинфекция, фотосинтез Высокая проникающая способность   Наибольшая проникающая способность	Радиосвязь   Cушка, приборы ночного видения   Оптические приборы   Медицина, дактилоскопия   Диагностика,лечение Диагностика, лечение, астрономия

Деление электромагнитных излучений по диапазонам условное. Четкой границы между областями нет. Названия областей сложились исторически, они лишь служат удобным средством классификации источников излучений.

Все диапазоны шкалы электромагнитных излучений имеют общие свойства:

• Физическая природа всех излучений одинакова
• Все излучения распространяются в вакууме с одинаковой скоростью, равной 3∙10⁸ м/с
• Все излучения обнаруживают общие волновые свойства (отражение, преломление, интерференцию, дифракцию, поляризацию)

Решить следующие качественные задачи:

1. Каким образом ориентируются змеи в темноте? Удивительным органом обладают змеи. Это - две ямки на голове, внешне напоминающие вторую пару ноздрей. Когда биологи занялись их изучением, оказалось, что это исключительно чувствительный орган, при помощи которого гремучая змея "видит" инфракрасные лучи. А зоркость такова, что змея улавливает разницу в тысячную долю градуса. Достаточно появиться ночью полевой мыши на расстоянии в 200 метрах от змеи, и ее чувствительный прибор подскажет присутствие мыши.

2. Каково воздействие ультрафиолетовых лучей на человека? В ткани организма ультрафиолет проникает на глубину от 0,1 до 1 мм, но вызывают при этом химическую реакцию, следствием которой является покраснение кожи. Биологическое действие зависит от длины волны. Волны длиной от 400 до 350 мкм отличаются укрепляющим, закаливающим действием на организм. Поэтому эти волны используются в оздоровительных целях. Излучения с длиной волны от 315 до 280 мкм используют в лечебных целях (в основном для людей которые живут на севере). Волны длиной 280-200мкм убивают бактерий, поэтому это излучение используют для дезинфекции.

3. Не так давно датская фирма "Лего" стала добавлять в свою продукцию сульфат бария, хорошо заметный в рентгеновских лучах. Для чего? Чтобы при рентгеновском исследовании обнаружить игрушку, проглоченную малышом.

4. Как используют ультрафиолет для определения качества продуктов? Некоторые продукты под действием ультрафиолетовых лучей люминесцируют в затемненном помещении разным цветом (с.205 А.И.Семке Нестандартные задачи по физике)

Тест

1.  Инфракрасное излучение имеет длину волны:

А. Меньше 4 ∙10^-7 м.

Б. Больше 7,6 ∙10^-7 м

В.  Меньше 10 ^-8 м

2. Ультрафиолетовое излучение:

А. Возникает при резком торможении быстрых электронов.

         Б. Интенсивно испускается нагретыми до высокой температуры телами.

В. Испускается любым нагретым телом.

3. Каков диапазон длин волн видимого излучения?

А. 4∙10^-7 - 7,5∙10^-7 м.

Б. 4∙10^-7 - 7,5∙10^-7 см.

 В. 4∙10^-7 - 7,5∙10^-7  мм.

4. Наибольшую проходящую способность имеет:

А. Видимое излучение

Б. Ультрафиолетовое излучение

В. Рентгеновское излучение

 5. Изображение предмета в темноте получают при помощи:

А. Ультрафиолетового излучения.

Б. Рентгеновского излучения.

 В. Инфракрасного излучения.

 6. Кем впервые было открыто  g–излучение?

      А. Рентгеном

      Б. Вилларом

       В. Юнгом

 7. С какой скоростью распространяется инфракрасное излучение?

      А. Больше чем 3∙10⁸ м/с

      Б. Меньше чем 3 ∙10⁸ м/с

      В. 3 ∙10⁸  м/с

  8. Рентгеновское излучение:

    А. Возникает при резком торможении быстрых электронов

     Б. Испускается твердыми телами, нагретыми до большой      температуры

     В. Испускается любым нагретым телом

  9. Какие излучения используются в медицине?

1. Инфракрасное излучение
2. Ультрафиолетовое излучение
3. Видимое излучение
4. Рентгеновское излучение

  А. 1,2,4

     Б. 1,3

     В. Все излучения

 10. Обычное стекло практически не пропускает:

А. Видимое излучение.

Б. Ультрафиолетовое излучение.

В.Инфракрасное  излучение

Правильные ответы:

Вопрос	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Ответ	Б	Б	А	В	В	Б	В	А	в	Б

ЗАДАНИЕ

1. Выучить конспект по теме: "Шкала электромагнитных волн".

2. Найти в Интернете или в литературе ответ на вопрос:

А. Положительное влияние электромагнитных волн на организм человека.

 

УРОК № 34

01.03.2023г. ГРУППА 403.  ФИЗИКА. ТЕМА "СПЕКТРЫ.  СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ"

            Ни один из источников не дает монохроматического света, т.е. света строго определенной длины волны. В этом можно убедиться на опытах по разложению света в спектр с помощью призмы, а также опыты по интерференции и дифракции.

Та энергия, которую несет с собой свет от источника, определенным образом распределена по волнам всех длин, входящим в состав светового пучка. .

 Спектры излучения

Спектральный состав излучения атомов различных веществ весьма разнообразен. Тем не менее, все спектры можно разделить на три сильно отличающихся друг от друга типа.

Сплошной (непрерывный) спектр

Накаленные твердые и жидкие тела и газы (при большом давлении) испускают свет, разложение которого дает сплошной спектр, в котором спектральные цвета непрерывно переходят один в другой. Характер непрерывного спектра и сам факт его существования опре­деляются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и вза­имодействием атомов друг с другом. Сплошные спектры одинаковы для разных веществ, и поэтому их нельзя использовать для определения состава вещества.

Линейчатый (атомный) спектр

Возбужденные атомы разреженных газов или паров испускают свет, разложение которого дает линейчатый спектр,состоящий из отдельных цветных линий. Каждый химический элемент имеет характерный для него линейчатый спектр. Атомы таких веществ не взаимодействуют друг с другом и излучают свет только определенных длин волн. Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн. Это позволяет по спектральным линиям судить о химическом составе источника света.

Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом. При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Молекулярный (полосатый) спектр

Спектр молекулы состоит из большого числа отдельных линий, сливающихся в полосы, четкие с одного края и размытые с другого. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом. Серии очень близких линий группируются на отдельных участках спектра и заполняют целые полосы.

Спектр угольной дуги (полосы молекул CN и C2)

Спектр испускания паров молекулы йода

Спектр молекулы Н2

В 1860 г. немецкие ученые Г. Кирхгоф и Р. Бунзен, изучая спектры металлов, установили следующие факты:

1) каждый металл имеет свой спектр;

2) спектр каждого металла строго постоянен;

3) введение в пламя горелки любой соли одного и того же металла все­гда приводит к появлению одинакового спектра;

4) при внесении в пламя смеси солей нескольких металлов в спектре одновременно появляются все их линии;

5) яркость спектральных линий зависит от концентрации элемента в данном веществе.

Спектры поглощения

Если белый свет от источника, дающей сплошной спектр, пропускается через пары исследуемого вещества и затем разлагается в спектр, то на фоне сплошного спектра наблюдаются темные линии поглощения в тех же самых местах, где находились бы линии спектра испускания паров исследуемого элемента. Такие спектры получили название атомных спектров поглощения.

Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Атомы поглощают излучение лишь тех длин волн, которые они могут испускать при данной температуре.

Спектральный анализ

Спектральным анализом называется метод изучения химического состава вещества, основанный на исследовании его спектров. Отдельные линии в спектрах различных элементов могут совпадать, но в целом спектр каждого элемента является его индивидуальной характеристикой.

Спектральный анализ сыграл большую роль в науке. Например, в спектре Солнца (1814) были открыты фраунгоферовы темные линии, происхождение которых объясняется следующим образом. Солнце, являясь раскаленным газовым шаром (Т ~ 6000 °С), испускает сплошной спектр. Солнечные лучи проходят через атмосферу Солнца (солнечную корону, температура которой ~2000— 3000 °С. Корона поглощает из сплошного спектра излучение определенной частоты, а на Земле регистрируется солнечный спектр поглощения, по которому можно определить, какие химические элементы присутствуют в короне Солнца. По спектрам поглощения на Солнце были обнаружены все земные элементы, а также неизвестный ранее элемент, который назвали гелий. Через 26 лет (1894) открыли гелий на Земле. Благодаря спектральному анализу на Земле было открыто еще 25 химических элементов.

Фраунгоферовы линии дают информацию не только о химическом составе звезды, но и о ее температуре и давлении на поверхности. Более того, спектральный анализ Солнца и звезд показал, что входящие в их состав химические элементы имеются и на Земле, т.е. вещество Вселенной состоит из одного и того же набора элементов.

Спектральные аппараты

Спектроскопом называется прибор, с помощью которого визуально исследуется спектральный состав света, испускаемого некоторым источником. Если регистрация спектра происходит на фотопластинке, то прибор называется спектрографом.

Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т.е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.

        Применение спектрального анализа

     Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий. Состав сложных, главным образом органических смесей анализируется по их молекулярным спектрам.

С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10^-10г. Линии, присущие данному элементу, позволяют качественно судить о его наличии. Яркость линий дает возможность (при соблюдении стандартных условий возбуждения) количественно судить о наличии того или иного элемента.

Спектральный анализ можно проводить и по спектрам поглощения. В астрофизике по спектрам можно определить многие физические ха­рактеристики объектов: температуру, давление, скорость движения, маг­нитную индукцию и др. с помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.

Основные направления применения спектрального анализа таковы: физико-химические исследования; машиностроение, металлургия; атомная индустрия; астрономия, астрофизика; криминалистика.

Современные технологии создания новейших строительных материалов (металлопластиковые, пластиковые) непосредственно взаимосвязаны с такими фундаментальными науками как химия, физика. Данные науки используют современные методы исследования веществ. Поэтому спектральный анализ можно применять для определения химического состав состава строительных материалов по их спектрам.

 

ЗАДАНИЕ:   ВЫПОЛНИТЕ ТЕСТ.

Тест  “Виды излучений. Спектры”

1. Спектральный анализ позволяет определить химический состав вещества только в лабораторных условиях:
а) нет
б) да
в) в редких случаях

2. Линейчатый спектр дают вещества в твердом состоянии:
а) да
б) нет
в) иногда

3. Полосатый спектр образуют сильно нагретые твердые тела или жидкости:
а) иногда
б) да
в) нет

4. Действие спектральных аппаратов основано на явлении интерференции:
а) нет
б) да
в) в редких случаях

5. Спектральный анализ – способ определения исключительно состава вещества по его спектру, так ли это:
а) оба варианта верны
б) да
в) нет

6. Непрерывный спектр дают, например, молекулярные соединения, так ли это:
а) да
б) нет
в) иногда

7. Вид спектра вещества зависит от его:
а) массы
б) размера
в) состава

8. Вид спектра вещества зависит от его:
а) состояния
б) массы
в) размера

9. Каждый атом отличается определенными, отличающимися от других, длинами излучаемых:
а) линий
б) спектров
в) волн

10. Нагретое вещество в любом состоянии создает спектр:
а) энергетический
б) испускания
в) поглощения

11. Холодное вещество в любом состоянии создает спектр:
а) поглощения
б) испускания
в) энергетический

12. Спектр поглощения можно считать … спектра испускания, потому что характерные линии соответствуют тем же длинам волн:
а) «позитивом»
б) «негативом»
в) «среднем»

13. Частоты линейчатого спектра зависят от способа возбуждения атома, так ли это:
а) нет
б) да
в) иногда

14. Спектральный анализ проводится по спектрам испускания, спектры поглощения не дают надежных результатов, так ли это:
а) иногда
б) да
в) нет

15. Чтобы определить химический состав крупинки вещества, достаточно проанализировать спектр крупинки в:
а) пламени
б) искре
в) воде

16. Глаз наиболее чувствителен к красной части спектра, так ли это:
а) зависит от яркости красного цвета
б) да
в) нет

17. Свечение, возникающее в процессе протекания химической реакции:
а) электролюминесценция
б) хемилюминесценция
в) фотолюминесценция

18. Источники естественного света дают набор излучаемых:
а) спектров
б) линий
в) волн

19. Свечение вещества под действием падающего на него света:
а) хемилюминесценция
б) фотолюминесценция
в) электролюминесценция

20. Люминесценция, возбуждаемая электрическим полем:
а) электролюминесценция
б) хемилюминесценция
в) фотолюминесценция

21. Условием излучения атома является передача ему определенной:
а) силы
б) энергии
в) мощности

22. При тепловом излучении потеря атомами энергии на излучение компенсируется за счет энергии теплового движения:
а) частиц
б) молекул
в) атомов

23. Максимальная спектральная плотность интенсивности излучения приходится на этот цвет:
а) зеленый
б) желтый
в) красный

24. С помощью спектрального анализа был открыт этот новый элемент:
а) цинк
б) рубидий
в) кальций

25. С помощью спектрального анализа был открыт этот новый элемент:
а) цезий
б) натрий
в) барий

26. Один из видов спектров:
а) беспрерывные спектры
б) прерывистые спектры
в) непрерывные спектры

27. Один из видов спектров:
а) линейчатые спектры
б) линейный спектры
в) продольные спектры

УРОК № 33

01.03.2023г. ГРУППА 403. ФИЗИКА. ТЕМА «Интерференция и дифракция света»

 Свет — это электромагнитные волны в интервале частот , воспринимаемых человеческим глазом, т. е. длин волн в интервале 380 - 770 нм.

Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300 000 км/с, а в среде скорость убывает.

Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции.

Если кинуть камень, то он полетит прямо. Он может столкнуться с препятствием и отскочить. В случае , если он ударится в плоскость, расположенную под углом к направлению его полета, он отскочит в сторону.

Но камень ни при каких условиях не сможет обогнуть препятствие. Если, конечно, ему не помочь. То есть, сам не сможет. Движение любых тел и соответственно, частиц, подчинено этому закону. Они либо отскакивают от препятствия, либо пролетают мимо, но не огибают его.

Волны же ведут себя иначе. Наблюдали вы такое или нет, но проверить это несложно: волна, проходя мимо препятствия, слегка его огибает. При этом меняется направление ее распространения. Так, например, волна на воде, пройдя через узкий проем, будет расширяться в стороны при дальнейшем распространении. Получается, что она обогнула препятствие в виде границ проема.

Отклонение света и сложение волн света

Так ведут себя все волны, будь они механические или электромагнитные. Так как свет представляет собой электромагнитные волны, то, соответственно, он ведет себя таким же образом.

Явление отклонения света от прямолинейного распространения при огибании препятствия называется дифракцией света. Например, размытые края тени это пример дифракции света на границе тела, создающего тень.

Первые опыты по дифракции света выполнил в XVII в. итальянский учёный Ф. Гримальди. В частности, пропуская узкий пучок света через малое отверстие, Гримальди обнаружил отступление от закона прямолинейного распространения света: размер светлого пятна на экране, расположенном против отверстия, оказался больше размера самого отверстия. Опыты также показали, что если диаметр отверстия (размер щели) в ширме достаточно велик, а расстояние от ширмы до экрана не очень велико, то закон прямолинейного распространения света выполняется с высокой точностью. Поскольку Гримальди разделял 4 точку зрения Гюйгенса на природу света, то наблюдаемые особенности в распространении света он объяснял как следствие его волновой природы.

Классический опыт по дифракции света был осуществлён в 1802 г. Т. Юнгом, открывшим явление интерференции света. Схема опыта по наблюдению дифракции была практически полностью аналогична опыту по интерференции света, подробно описанному выше. Световой пучок, исходивший из узкой щели первой ширмы, освещал две близко расположенные щели во второй ширме. Вследствие дифракции из этих щелей выходили два расходящихся световых пучка, которые частично перекрывались, при этом на экране, установленном за ширмой, наблюдалась интерференционная картина.

Опыт Юнга

Для наблюдения явления интерференции и дифракции света в 1802 г. Т. Юнг поставил опыт, ставший классическим.

Сперва свет пропускался сквозь первое небольшое отверстие, за которым, в соответствии с принципом Гюйгенса, образовывалась сферическая световая волна. А затем эта волна пропускалась через два расположенных рядом маленьких отверстия. Поскольку на два отверстия падала одна и та же волна, волны за этими отверстиями были когерентными и при наложении давали интерференционную картину чередования темных и светлых полос.

В результате можно было видеть оба явления: дифракцию световых волн, выходящих из двух отверстий, и их интерференцию на экране.

Из–за слабой видимости дифракционной картины и значительной ширины дифракционных максимумов на одной щели в физическом эксперименте используется спектральный прибор – дифракционная решетка).

Дифракционная решётка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделённых непрозрачными промежутками.

Если ширина прозрачных щелей равна a и ширина непрозрачных промежутков равна b, то величина  d = a + b называется периодом решётки.

Главные максимумы будут наблюдаться под углом α_max, определяемым условием:

dsinα=n

d— период дифракционной решетки;

n— порядок максимума;

α — угол под которым наблюдается максимум дифракционной решетки;

λ— длина волны.

Решение  качественных задач.

1)Подумайте, как можно быстро изготовить дифракционную решетку. Пронаблюдайте. Почему такая решетка считается «грубой». (Ответ: Если посмотреть сквозь ресницы глаз на яркий свет, то можно наблюдать спектр. Ресницы глаз можно считать «грубой» дифракционной решеткой, так как расстояние между ресничками глаза достаточно большое.)

2) На поверхности лазерного диска видны цветные полоски. Почему?

 

Вследствие дифракции существует другое явление, называемое интерференцией света. Интерференция света это сложение интенсивности двух или более световых волн. Вследствие этого образуются картина максимумов и минимумов интенсивности света.

Интерференция и дифракция света связаны между собой самым прямым и непосредственным образом. Фактически, интерференция является следствием дифракции. Можно поставить эксперименты по наблюдению интерференции и дифракции света в лабораторных условиях. Для этого пучок света пропускают через узкую щель в непрозрачном материале, за которой расположен экран.

На экране появляется полоса света, которая будет заметно шире размеров щели. Это объясняется дифракцией света, который проходя через щель, слегка огибал два препятствия в виде границ щели, и световой пучок, таким образом, становился шире. Если же мы создадим не одну, а две расположенные рядом щели, то на экране мы увидим не две полоски света, а целый набор чередующихся полос света и тени. При этом посередине будет находиться одна наиболее яркая полоса.

Это является результатом интерференции света, а мы увидим так называемую «интерференционную картину». Объяснение этой картины будет простым вследствие дифракции на каждой щели пучки света расширяются, и, проходя дальше, складываются уже две волны.

При этом амплитуды этих волн различаются во всех точках пространства. Следовательно, итоговая амплитуда общей волны, получившейся в результате сложения двух волн, будет зависеть от того, как распределяются в пространстве амплитуды исходных волн.

В месте, где амплитуды волн будут максимальны, будет наблюдаться максимум общей волны. В других же местах, где амплитуды будут в противофазе, общая амплитуда будет равна нулю. Остальные места будут в переходной стадии между этими двумя случаями.

И это чередование максимумов и минимумом и образует на экране тот самый набор чередующихся темных и белых полос. Так выглядит интерференция света наглядно. Интерференция подтверждает волновую природу света, поскольку такая картина может получиться только в случае распространения волн, но никак не частиц.

           Впервые явление интерференции было независимо обнаружено Робертом Бойлем (1627—1691 гг.) и Робертом Гуком (1635—1703 гг.). Они наблюдали возникновение разноцветной окраски тонких плёнок (интерференционных полос), подобных масляным или бензиновым пятнам на поверхности воды. В 1801 году Томас Юнг (1773—1829 гг.), введя «Принцип суперпозиции - результат воздействия на частицу нескольких внешних сил есть просто сумма результатов воздействия каждой из сил.», первым объяснил явление интерференции света, ввел термин «интерференция» (1803) и объяснил «цветастость» тонких пленок. Он так же выполнил первый демонстрационный эксперимент по наблюдению интерференции света, получив интерференцию от двух щелевых источников света (1802); позднее этот опыт Юнга стал классическим.

Интерференция света - явление перераспределения энергии в пространстве

ЗАДАНИЕ

1. Ответить на вопросы:

1. Что такое дифракция света?
2. Какого условие возникновения дифракции света?

Экспериментальное задание:

1. В куске картона сделайте иглой отверстие и посмотрите через него на раскалённую нить электрической лампы. Что вы видите? Объясните.
2. Посмотрите на нить электрической лампы через птичье перо, батистовый платочек. Что вы наблюдаете?

 

УРОК №32

01.03.2023г. ГРУППА 403. ФИЗИКА. ТЕМА «ДИСПЕРСИЯ СВЕТА»

Когда Ньютон занимался усовершенствованием телескопов, он обратил внимание на то, что изображение, даваемое объективом, по краям окрашено, после чего начал исследовать разнообразие световых лучей и проистекающие отсюда особенности цветов.

Это явление наблюдали с помощью линзы до него. Было замечено также, что радужные края имеют предметы, рассматриваемые через призму.

Опыт Ньютона был прост, но гениален. Учёный догадался направить на призму световой пучок малого поперечного сечения. Пучок солнечного света проходил в затемнённую комнату через маленькое отверстие в ставне. Падая на стеклянную призму, он преломлялся и давал на противоположной стене удлинённое изображение с радужным чередованием цветов.

Издавна радуга считалась состоящей из семи основных цветов. Ньютон тоже выделил семь цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Саму радужную полоску Ньютон назвал спектром.

Закрыв отверстие красного стекла, Ньютон наблюдал на стене только красное пятно, закрыв синим стеклом-синее пятно и т.д.

Это означало, что не призма окрашивает белый свет, а только разлагает его на составные части.

Белый свет имеет сложный состав. Из него можно выделить пучки различных цветов, и лишь совместное их действие вызывает у нас впечатление белого цвета.

Существует другой важный вывод Ньютона, который сформулирован в трактате «Оптика» следующим образом: «Световые пучки, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости.

Наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, меньше других - красные. Зависимость показателя преломления света от его цвета Ньютон назвал дисперсией. Слово «Дисперсия» происходит от латинского слова dishersio- рассеяние. Показатель преломления зависит от скорости света в веществе.

Абсолютный показатель преломления:

Дисперсией называется зависимость показателя преломления среды от частоты световой волны.

Длины волн видимой части спектра лежит в интервале примерно от 400 до 760 нм. Одному цвету также соответствует определённый диапазон длин

Разбор тренировочных заданий

1. Дисперсией света объясняется

А. фиолетовый цвет обложки книги.

Б. фиолетовый цвет белого листа из тетради, если его рассматривать через цветное стекло.

Верно(-ы) утверждение(-я):

1) только А

2) только Б

3) и А, и Б

4) ни А, ни Б.

Правильный ответ: 4) ни А, ни Б.

2. Сколько длин волн монохроматического излучения с частотой 600 ТГц укладывается на отрезке 1 м?

Решение:      

Ответ:  n = 2 ∙10⁶

ЗАДАНИЕ:

1.Выполните тест

1. Примером дисперсии света может служить образование 

- радуги после дождя

- темных пятен на Солнце

- образование цветных пятен на белом белье при стирке

- окрас крыльев бабочек

- окраска мыльного пузыря

 2. Разложение пучка солнечного света в спектр при прохождении его через призму объясняется тем, что свет состоит из набора электромагнитных волн разной длины, которые попадая на призму,

- движутся с разной скоростью

- имеют одинаковую частоту

- имеют одинаковую длину волн

- поглощаются в разной степени

 

3. После прохождения белого света через зеленое стекло свет становится зеленым. Это происходит из-за того, что световые волны других цветов в основном…

4. Явление дисперсии впервые было изучено…

 

5. Расставьте перечисленные ниже цвета в порядке следования их в спектре, начиная с обладающего наименьшей частотой.

Красный

Жёлтый

Зеленый

Сине-зелёный

Синий

 \6. Сопоставьте определение с понятием

1.Дисперсия света

2.Спектроскоп

3.Радужная полоска (спектр)

4.Нормальная дисперсия 

5.Аномальная дисперсия 

- Зависимость показателя преломления среды от цвета световых лучей.

- Оптический прибор для визуального наблюдения спектра излучения.

- Признак, который характерен для явления дисперсии.

дисперсия, при которой показатель преломления вещества уменьшается с уменьшением частоты (увеличением длины) волны падающего света.

 6. Дисперсия наблюдается в результате

- Огибания светом препятствий

- Разложения белого света

- Окрашивания белого света призмой

- Все перечисленные явления

 

7. Сколько основных цветов выделяется в спектре?

 

8. Свет какого цвета испытывает наибольшее преломление в призме (расставьте в порядке возрастания)?

Красный

Оранжевый

Зеленый

Синий

Фиолетовый

 

УРОК №31

28.02.2023г. ГРУППА. 403. ФИЗИКА. ТЕМА «РЕШЕНИЕ  ЗАДАЧ»

Задачи по геометрической оптике не такие уж и сложные, если уделить их разбору немного

Чтобы успешно решать задачи по геометрической оптике на тему «Тонкие линзы», нужно знать всего лишь пару формул. 

Формула тонкой линзы:   1/ F  = 1/ f +  1/d , где

F – фокусное расстояние линзы

f – расстояние от изображения до линзы

d – расстояние от линзы до предмета

Формула увеличения:  Г = Н /h  или Г =f /d

Задача №1. Формула тонкой линзы

Условие 

Линзу с оптической силой 2,5 дптр поместили на расстоянии 0,5 м от ярко освещённого предмета. На каком расстоянии следует поместить экран, чтобы увидеть на нём чёткое изображение предмета?

Решение

Линза является собирающей (оптическая сила положительна). Запишем формулу тонкой линзы:

1/F=1/d+1/f

Учтем, что F=1/D

, подставим значения из условия, и запишем:  1|d = D – 1f

d = 1/ D – 1 f

d = 1/ 2,5 – 1 /0,5  = 2

Ответ: 2м

Задача №2. Формула тонкой линзы

Условие

Светящаяся точка лежит в плоскости, проходящей через двойной фокус тонкой линзы, у которой указана главная оптическая ось. Определите, какая из четырех точек на чертеже соответствует правильному изображению  светящейся точки.

Решение

Как видим, на рисунке изображена собирающая линза с оптическим центром в точке 0. Светящаяся точка S находится от линзы на расстоянии, равном двум фокусам.

Построим изображение точки: один луч проходит через оптический центр линзы, а второй луч, параллельный главной оптической оси, после преломления проходит через фокус. Точка пересечения лучей на расстоянии двойного фокуса и будет являться изображением точки S.

Ответ: изображению точки S соответствует точка 2.

Денное решение получено геометрическим путем, но его можно проверить, используя формулу линзы. Подставим в нее 2F вместо d, и получим тот же результат.

Задача №3. Формула тонкой линзы

Условие

Предмет высотой 3 см находится на расстоянии 40 см от собирающей тонкой линзы. Определите высоту изображения, если оптическая сила линзы равна 4 диоптриям.

Решение

Запишем формулу тонкой собирающей линзы и формулу увеличения линзы:

1/F=1/d+1/f ;     Г=H/h= f/d

Перепишем эти соотношения, с учетом того, что F=1/D

H=h⋅f /d      1/f=D−1/d

Отсюда найдем f:

f =dD/⋅d−1

Осталось подставить значения в формулу для H и вычислить:

H=h∙dD/⋅d−1=0,03⋅0,44⋅/0,4−1=0,05 см

Ответ: 0,05 см.

Задача №4. Формула тонкой линзы

Условие

Предмет имеет высоту 2 см. Какое фокусное расстояние должна иметь линза, расположенная на расстоянии f=4 м от экрана, чтобы изображение предмета на экране имело высоту H=1 м?

Решение

Фокусное расстояние найдем из формулы линзы:

1/F=1/d+1/f        F=f/d+f

Запишем формулу увеличения линзы и выразим d:

Г=H/h= f/d ; d=fh/H

Запишем окончательный ответ:

F=hf/H+h≈0,08 м

Ответ: 0,08 м.

Задача №5. Формула тонкой линзы

Условие

Постройте изображение отрезка AB, расположенного перед собирающей линзой так, что расстояние от предмета до линзы d=2F. Каким будет изображение?

Решение

Построим изображение в соответствии с правилами геометрической оптики:

Данное изображение:

• действительное;
• перевернутое;
• равное  предмету.

Ответ: см. выше.

ЗАДАНИЕ:

1. Решить задачу.

Предмет высотой 3 см находится на расстоянии 40 см от собирающей тонкой линзы. Определить высоту изображения, если известно, что оптическая сила линзы соответствует 4 диоптриям.

2. Вопросы на тему «Тонкая линза»

Вопрос 1. Какое равенство называют формулой тонкой линзы?. 

Вопрос 2. В чем разница в формуле тонкой  линзы для собирающей и рассеивающей линз?

Вопрос 3. Что такое фокусное расстояние линзы?.

Вопрос 4. Что такое оптическая сила линзы?

Вопрос 5. Может ли оптическая сила линзы быть больше 1?

УРОК №29-30

27-28.02.2023г. ГРУППА  403.  ФИЗИКА.   ТЕМА «Линзы. Оптическая сила линзы"

Линза – это прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими или криволинейными поверхностями, одна из которых может быть плоской.

Тонкая линза – физическая модель линзы, в которой ее толщиной можно пренебречь по сравнению с диаметром линзы.

Классификация линз

1. По форме:        

выпуклые – это линзы, у которых средняя часть толще, чем края;

вогнутые – это линзы, у которых края толще, чем средняя часть.

2. По оптическим свойствам:

собирающие – это линзы, после прохождения которых параллельный пучок лучей собирается в одной точке;

рассеивающие – это линзы, после прохождения которых параллельный пучок лучей рассеиваится

Условные обозначения:

Величины, характеризующие линзу

Главная оптическая ось – это прямая, проходящая через центры сферических поверхностей линзы.

Оптический центр линзы – это точка пересечения главной оптической оси с линзой, проходя через которую луч не изменяет своего направления.

Побочная оптическая ось – это любая прямая, проходящая через оптический центр линзы под произвольным углом к главной оптической оси.

Фокус линзы – это точка, в которой пересекаются после преломления лучи, падающие на линзу параллельно главной оптической оси.

Обозначение – ​F​.

Фокусное расстояние – это расстояние от оптического центра линзы до ее фокуса. Обозначение – F, единица измерения – м.

Фокальная плоскость – это плоскость, проходящая через фокус линзы перпендикулярно ее главной оптической оси.

Побочный фокус – это точка пересечения побочной оптической оси с фокальной плоскостью.

Оптическая сила линзы – это величина, обратная фокусному расстоянию.

Обозначение – ​D​, единица измерения – диоптрия (дптр):

1 дптр – это оптическая сила линзы с фокусным расстоянием 1 м.

Важно!
Оптическая сила линзы зависит от показателя преломления линзы и от радиусов кривизны сферических поверхностей, ограничивающих линз

Формула тонкой линзы

где​F​ – фокусное расстояние линзы, ​d​ – расстояние от предмета до линзы, ​f​ – расстояние от линзы до изображения.

Правило знаков:

​F​ > 0, если линза собирающая; F < 0, если линза рассеивающая;

​d​ > 0, если предмет действительный; d < 0, если предмет мнимый (если на линзу падает сходящийся пучок лучей);

​f​ > 0, если изображение действительное; ​f​ < 0, если изображение мнимое.

Линза собирающая, предмет действительный, изображение действительное:

Линза собирающая, предмет действительный, изображение мнимо:

Линза собирающая, предмет мнимый, изображение действительное:

Линза рассеивающая, предмет действительный, изображение мнимое:

Линза рассеивающая, предмет мнимый, изображение мнимое
едмет мнимый, изображение мнимое:

Увеличение линзы – это величина, равная отношению линейных размеров изображения к линейным размерам предмета.

Обозначение – ​Γ​, единицы измерения – нет.

где​H​ – линейный размер изображения, ​h​ – линейный размер предмета.

где ​f​ – расстояние от линзы до изображения, ​d​ – расстояние от предмета до линзы.

Важно!
При расчете увеличения линзы знаки ​f​ и ​d​ не учитываются.

 ЗАДАНИЕ:

1. Сделайте конспект, выделив (подчеркнув) основные определения, формулы, графики.

2. Ответьте на вопросы:

      А) на каком расстоянии от собирающей линзы нужно поместить предмет, чтобы его изображение  было действительным?

         1.  большем, чем фокусное расстояние

         2.  меньшем, чем фокусное расстояние

         3.  при  любом расстоянии изображение будет действительным

         4.  при любом расстоянии изображение будет мнимым

   Б)  Предмет находится между собирающей линзой и её фокусом. Изображение предмета:

         1.  мнимое, перевёрнутое                                  3.  Действительное прямое

         2.  действительное перевёрнутое                     4.  Мнимое, прямое

   В)  Оптическая сила линзы – это величина,

         1.  равная отношению фокусного расстояния линзы к её диаметру

         2.  обратная её фокусному расстоянию

         3.  равная отношению диаметра линзы к её фокусному расстоянию

         4.  обратная расстоянию от линзы до изображаемого предмета.

   Г)  Что называется линейным увеличением? Выберите формулы:

        1.          1/F    =  1/d  +  1/f

        2.           Г  = Н/  h

        3.             Г    = h/  H

        4.            Г   = f / d

УРОК №28

03.2023г. ГРУППА 403. ФИЗИКА. ТЕМА «РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ  НА ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА»

На границе двух сред наблюдаются явления отражения и преломления света (поглощение света не рассматривается в данном разделе оптики).

Задачи на закон отражения включают вопросы определения размеров и взаимного расположения предмета, его изображения в зеркале или системе зеркал, причем различают задачи, при решении которых достаточно только графического построения, и задачи расчетные. Задачи, связанные с расчетами и построениями в системах зеркал, принципиально не отличаются от задач на одно зеркало. Следует иметь в виду, что в силу принципа обратимости хода лучей изображение, даваемое первым зеркалом, рассматривается как предмет для второго зеркала; изображение, даваемое вторым зеркалом, является предметом для первого зеркала.

Задачи на преломление света содержат вопросы о преломлении света на плоской границе раздела двух сред, включая задачи о прохождении луча через плоскопараллельную пластину и призму (задачи на прохождения через линзу или систему линз в данном курсе не рассматриваются).

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ:

Задача №1

Луч света падает на плоскую поверхность границы раздела двух сред. Угол падения равен 40°, а угол между отраженным и преломленным лучами составляет 110°. Чему равен угол преломления?

Сперва построим чертеж (рисунок 1).

Теперь мы можем записать условие задачи и решить ее.

Дано:
α=40°
∠BOD=110°

γ—?

Решение:

По закону отражения света угол отражения равен углу падения:
β=α=40°.

Из чертежа видно, что:
β+∠BOD+γ=180°

Выразим и рассчитаем угол преломления:
γ=180°—∠BOD—β=180°—110°—40°=30°               Ответ: γ=30°

 

№2. Вычислить угол падения луча для глицерина, если угол преломления 20⁰.

 №3. Определить скорость света в веществе, если при угле падения в 50⁰, угол преломления будет 35⁹.

№4. Определить показатель преломления вещества, у которого предельный угол 45⁰.

 

Задача 5.  Между лучом  падения и преломления образуется угол в 24⁰. Определить, чему равен угол между поверхностью  лучом падения.

ЗАДАНИЕ

. Тест по теме «Законы отражения и преломления света»

 Вопрос 1.

Основоположник электромагнитной теории света

Гюйгенс

Ньютон

Максвелл

 Вопрос 2.

Датский ученый О. Ремер в 1676 г. для измерения скорости света использовал ... метод измерения скорости света

лабораторный

астрономический

физический

 Вопрос 3.

Французский физик И. Физо в 1849 г. для измерения скорости света использовал ... метод измерения скорости света

лабораторный

физический

астрономический

 Вопрос 4.

Угол между нормалью к отражающей поверхности и отраженным лучом называется ...

углом преломления

углом отражения

углом падения

 Вопрос 5.

Угол отражения равен углу... 

преломления

падения

отражения

 Вопрос 6.

Показатель преломления среды относительно вакуума называется ...

относительным показателем преломления этой среды

абсолютным показателем преломления этой среды

 Вопрос 7.

Луч света переходит из воздуха в воду. Определите угол преломления луча, если угол падения луча равен 30°.

35°

22°

33,5°

 Вопрос 8.

В какой среде свет распространяется с большей скоростью?

в воздухе

в воде

в вакууме

скорость света во всех средах одинакова

 Вопрос 9.

Как изменится угол между падающим лучом на плоское зеркало и отражённым от него лучом при увеличении угла падения на 10⁰?

не изменится

увеличится на 500

увеличится на 1000

увеличится на 2000

 Вопрос 10.

Каким должен быть угол падения светового луча, чтобы отраженный луч составлял с падающим угол в 50⁰?

50°

75°

20°

25°

1. Решить задачи

Задача1.    Определите скорость света в воде, если её абсолютный показатель преломления 1,3.

Задача 2

Луч света падает на плоскую границу раздела двух сред. Угол падения равен 50°, угол между отраженным лучом и преломленным 120°. Чему ра­вен угол преломления?

ЖЕЛАЮ УСПЕХА!

 

 

 УРОК № 27

22.02.2023г. ГРУППА 403. ФИЗИКА. ТЕМА «ОТРАЖЕНИЕ И ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА»

Попробуйте ответить.

1.     Каково значение света в жизни человека, в познании природы, в развитии наук?

2.     Какое излучение называют светом?

3.     Какой раздел физики называют оптикой?

4.     Приведите примеры естественных и искусственных источников света.

5.     В каком случае мы можем видеть тела, не являющиеся источниками света?

6.     Что называют лучом света?

7.     Прочтите закон прямолинейного распространения света.

8.     Объясните возникновение тени от предмета. Как зависит размер тени от расстояния между предметом и источником света?

9.     Объясните возникновение полутени. В каком случае можно получить четкую тень от предмета?

10.                       Какова причина возникновения солнечных затмений? Какие опытные данные можно получить при наблюдении солнечных затмений?

11.                       Какова причина лунных затмений?

12.                       Приведите примеры использования закона прямолинейного распространения света в практической деятельности человека.  

       Приступим к  изучение нового материала

Све­то­вой луч – линия, вдоль ко­то­рой рас­про­стра­ня­ет­ся све­то­вая энер­гия.

Све­то­вой луч – это пучок света, тол­щи­на ко­то­ро­го много мень­ше рас­сто­я­ния, на ко­то­рое он рас­про­стра­ня­ет­ся. Такое опре­де­ле­ние близ­ко, на­при­мер, к опре­де­ле­нию ма­те­ри­аль­ной точки, ко­то­рое да­ет­ся в ки­не­ма­ти­ке.

За­ко­ны от­ра­же­ния: (см. Рис. 1).

1) От­ра­жен­ный луч лежит в одной плос­ко­сти с па­да­ю­щим лучом и пер­пен­ди­ку­ля­ром к гра­ни­це раз­де­ла двух сред.

2) Угол па­де­ния равен углу от­ра­же­ния

Рис. 1. Закон от­ра­же­ния

Закон пре­лом­ле­ния (см. Рис.2)

1) Падающий луч, преломленный луч и нормаль к границе раздела двух сред в точке падения лежат в одной плоскости.

2) Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для этих двух сред, равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой.

Ин­тен­сив­ность от­ра­жен­но­го и пре­лом­лен­но­го луча за­ви­сит от того, ка­ко­ва среда и что собой пред­став­ля­ет гра­ни­ца раз­де­ла.

 

Рис.2.   Закон преломления

Фи­зи­че­ский смысл по­ка­за­те­ля пре­лом­ле­ния: 

Показатель преломления показывает как измениться скорость при переходе из одной среды в другую.       

По­ка­за­тель пре­лом­ле­ния яв­ля­ет­ся от­но­си­тель­ным, так как из­ме­ре­ния про­во­дят­ся от­но­си­тель­но двух сред.

В том слу­чае, если одна из сред – это ва­ку­ум:

С – ско­рость света в ва­ку­у­ме,

n – аб­со­лют­ный по­ка­за­тель пре­лом­ле­ния, ха­рак­те­ри­зу­ю­щий среду от­но­си­тель­но ва­ку­у­ма.

Плоское зеркало

Плоским зеркалом называется предмет (плоская поверхность), способный зеркально отражать падающие на него лучи света. В обычном понимании зеркало представляет собой плоское стекло, на одну сторону которого нанесено специальное покрытие, содержащее серебро. В остальном же, зеркалом может считаться любой предмет, имеющий гладкую плоскую поверхность.

Построение изображения светящейся точки в плоском зеркале

Для построения изображения светящейся точки в плоском зеркале достаточно построить точку, симметричную ей. Так как в изображении сходятся не сами лучи, а только их продолжения, в действительности изображения в этой точке нет: нам только кажется, что из этой точки исходят лучи. Подобное изображение принято называть мнимым.

Изображение предмета в плоском зеркале

Плоское зеркало даёт мнимое, прямое и равное по размеру изображение, которое расположено на таком же расстоянии от зеркала, что и предмет, т.е. изображение симметрично самому предмету.

Построение изображения светящейся точки в плоском зеркале

Для построения изображения светящейся точки в плоском зеркале из множества лучей, исходящих от неё, обычно выделяют только два луча.

1. Луч, перпендикулярный зеркалу (он отразится в обратном направлении).

2. Луч, падающий под углом (он отразится под таким же углом). Продолжения отраженных лучей (изображенных пунктиром) пересекаются в точке S1, которая является изображением светящейся точки S. Для нахождения изображения источника света S достаточно опустить на зеркало или на его продолжение из точки, где находится источник света, перпендикуляр и продолжить его на расстояние OS=OS1 за зеркало.

Общие ха­рак­те­ри­сти­ки изоб­ра­же­ний в плос­ких зер­ка­лах:

1. Плос­кое зер­ка­ло дает мни­мое изоб­ра­же­ние пред­ме­та.

2. Изоб­ра­же­ние пред­ме­та в плос­ком зер­ка­ле равно по раз­ме­ру са­мо­му пред­ме­ту и рас­по­ло­же­но на том же рас­сто­я­нии от зер­ка­ла, что и пред­мет.

3. Пря­мая, ко­то­рая сов­ме­ща­ет точку на пред­ме­те с со­от­вет­ству­ю­щей ей точ­кой на изоб­ра­же­нии пред­ме­та в зер­ка­ле, пер­пен­ди­ку­ляр­на по­верх­но­сти зер­ка­ла.

1.     Закрепление изученного материала

Решение задач

1.     Луч света переходит из воды в стекло. Угол падения равен 35°. Найти угол преломления.

Дано:

Решение:

Найти β. Ответ: β=28,5°.

ЗАДАНИЕ:

1.Составьте конспект

2. Решить задачу

Определите скорость света в воде, если её абсолютный показатель преломления 1,33.

3. Тест по теме «Законы отражения и преломления света»

 Вопрос 1.

Основоположник электромагнитной теории света

Гюйгенс

Ньютон

Максвелл

 Вопрос 2.

Датский ученый О. Ремер в 1676 г. для измерения скорости света использовал ... метод измерения скорости света

лабораторный

астрономический

физический

 Вопрос 3.

Французский физик И. Физо в 1849 г. для измерения скорости света использовал ... метод измерения скорости света

лабораторный

физический

астрономический

 Вопрос 4.

Угол между нормалью к отражающей поверхности и отраженным лучом называется ...

углом преломления

углом отражения

углом падения

 Вопрос 5.

Угол отражения равен углу... 

преломления

падения

отражения

 Вопрос 6.

Показатель преломления среды относительно вакуума называется ...

относительным показателем преломления этой среды

абсолютным показателем преломления этой среды

 Вопрос 7.

Луч света переходит из воздуха в воду. Определите угол преломления луча, если угол падения луча равен 30°.

35°

22°

33,5°

 Вопрос 8.

В какой среде свет распространяется с большей скоростью?

в воздухе

в воде

в вакууме

скорость света во всех средах одинакова

 Вопрос 9.

Как изменится угол между падающим лучом на плоское зеркало и отражённым от него лучом при увеличении угла падения на 10⁰?

не изменится

увеличится на 500

увеличится на 1000

увеличится на 2000

 Вопрос 10.

Каким должен быть угол падения светового луча, чтобы отраженный луч составлял с падающим угол в 50⁰?

50°

75°

20°

25°

 

 УРОК №26

22.02. 2023. ГРУППА  403. ФИЗИКА 

Тема. Развитие представлений о природе света

1. Идеи древних философов

Вопрос «Что такое свет?» чрезвычайно интересовал еще древних философов. Большинство их придерживались той точки зрения, что свет создается внутри самого человека и излучается из ее глаза. Одни философы рассматривали свет как определенные материальные лучи, соединяющие светящееся тело и человеческий глаз. Они считали, что открытый глаз излучает «флюиды» и ощупывает ими наблюдаемые предметы будто тончайшими щупальцами. Другие считали, что с каждого предмета срываются оболочки, подобные самих предметов. Эти «образы» предметов, попадая в глаз, давали ощущение формы и цвета предметов.

 

2. Корпускулярная теория света Ньютона

Первой научной теорией, что пыталась объяснить физическую теорию природу света, была теория световых частиц, разработанная Ньютоном и изложена в его книге «Оптика». Согласно этой теории свет представляет собой поток частиц, выпущенных светящимся телом во всех направлениях (перенос вещества). На основании корпускулярных представлений Ньютон объяснил большинство известных тогда оптических явлений: прямолинейное распространение света в однородной среде, отражение и преломление света.

3. Волновая теория света Гюйгенса

Согласно представлениям Гюйгенса свет - это волны, которые распространяются в особом, гипотетическом среде - эфире, заполняющем все пространство и проникает внутрь всех тел. Гюйгенс не рассматривал настоящего волнового процесса, его рассуждения касались только распространение волнового фронта. Он строго математически описал явление отражения и преломления волн, причем из его рассуждений следовало, что скорость света в более густом среде должна быть меньше, чем в воздухе.

1801 г. Юнг на основании волновых представлений очень просто и наглядно разъяснил интерференцию света.

1818 г. Френель независимо от Юнга подробно развил теорию дифракции и интерференции света, показав при этом, что эти явления являются прямым следствием волновой природы света.

Окончательный удар по корпускулярной теории был нанесен опытами Фуко, что измерил скорость света в воде, значение которой оказалось таким, как это следовало из волновой теории.

Волновая теория с единой точки зрения объяснила все известные тогда явления и предсказала ряд новых.

В течение более ста лет корпускулярная и волновая гипотезы о природе света существовали параллельно. Ни одна из них не могла одержать решающей победы. Только авторитет Ньютона побудило большинство ученых отдавать 

предпочтение корпускулярной теории.

4. Электромагнитная теория света

Во второй половине XIX века Максвелл доказал, что свет является частным случаем электромагнитных волн. Работами Максвелла были заложены основы электромагнитной теории света. После того как Герц экспериментально обнаружил электромагнитные волны, никаких сомнений относительно того, что при распространении свет ведет себя как волна, не осталось. 1899 г. П. М. Лебедев дал новое доказательство тождества световых и электромагнитных волн. Он обнаружил опытным путем, что свет оказывает давление на тела, на которые оно падает, и измерил это давление. Но по теории Максвелла, 

электромагнитные втакже оказывают подобное давление.

Таким образом, во второй половине XIX века была разработана электромагнитная теория света.

5. Квантовая теория света

В начале ХХ века представления о природе света начали коренным образом меняться. Неожиданно выяснилась, что отвергнута корпускулярная теория все-таки имеет право на существование. в 1900 г. немецкий физик Макс Планк предположил, что атомы тел поглощают и излучают энергию конечными порциями - квантами. А 1905 г. Эйнштейн высказал мысль, что свет распространяется в пространстве в виде дискретных объектов - квантов света.

Таким образом, были обнаружены прерывистые, или, как говорят, квантовые свойства света.

6. Корпускулярно-волновой дуализм.

Возникла чрезвычайная ситуация: явления интерференции и дифракции, как и раньше, можно было объяснить, считая свет волной, а явления излучения и поглощения - считая свет потоком частиц.

В результате многочисленных обсуждений, поисков и исследований возникла современная теория света. Эта теория является синтезом корпускулярной и волновой теорий. В ее основу положена мысль, что свет имеет одновременно волновые и корпускулярные свойства.

ВОПРОСЫ  К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. В чем состоит закон прямолинейного распространения света?

2. Кто впервые высказал мысль, что свет состоит из частиц (корпускул)?

3.В чём проявляются квантовые свойства света?

4. В чем проявляются волновые свойства света? Кто был основоположником этой теории?

УРОК №25

22.02.2023. ГРУППА 403.  Контрольная работа №3 «Механические и электромагнитные колебания и волны »

Вариант 1.                      

1. Период колебаний математического маятника равен 2π секунд. Как изменится период колебаний маятника, если его длину увеличить в четыре раза?
2. Изобразите колебательный контур. Определите период колебаний в контуре, состоящем из катушки индуктивностью 4 мкГн и конденсатора емкостью 250 пФ.
3. Напряжение на клеммах генератора изменяется по закону U = 300 Cos 100πt. Найдите амплитуду и действующее значение напряжения, период и циклическую частоту электромагнитных колебаний (все величины выражены в СИ).

4. Трансформатор с коэффициентом трансформации 20 имеет на первичной обмотке напряжение 200 кВ. Определите напряжение на вторичной обмотке и вид трансформатора.
5. Считая, что скорость звука в воздухе равна 340 м/с, определите длину звуковой волны с частотой 6,8 кГц

Вариант 2.

1. Груз массой 250 г совершает колебания на пружине с периодом 0,4π секунд. Определите жесткость пружины.
2. Изобразите колебательный контур. Определите период колебаний в контуре, состоящем из катушки индуктивностью 2 мкГн и конденсатора емкостью 500 пФ.
3. Напряжение на клеммах генератора изменяется по закону U = 200 Cos 200πt. Найдите амплитуду и действующее значение напряжения, период и циклическую частоту электромагнитных колебаний (все величины выражены в СИ).

4. Трансформатор с коэффициентом трансформации 0,25 имеет на вторичной обмотке напряжение 200 кВ. Определите напряжение на первичной обмотке и вид трансформатора.
5. Считая, что скорость звука в воздухе равна 340 м/с, определите длину звуковой волны с частотой 3,4 кГц

Вариант 3.

1. Период колебаний математического маятника равен 3π секунд. Как изменится период колебаний маятника, если его длину уменьшить в девять раз?
2. Изобразите колебательный контур. Определите период колебаний в контуре, состоящем из катушки индуктивностью 8 мкГн и конденсатора емкостью 250 мФ.
3. Напряжение на клеммах генератора изменяется по закону

U = 100 Cos 300πt. Найдите амплитуду и действующее значение напряжения, период и циклическую частоту электромагнитных колебаний (все величины выражены в СИ).

4. Трансформатор с коэффициентом трансформации 50 имеет на первичной обмотке напряжение 400 кВ. Определите напряжение на вторичной обмотке и вид трансформатора.
5. Считая, что скорость звука в воздухе равна 340 м/с, определите длину звуковой волны с частотой 1,7 кГц

Вариант 4.

1. Груз массой 50 г совершает колебания на пружине с периодом π секунд. Определите жесткость пружины.
2. Изобразите колебательный контур. Определите период колебаний в контуре, состоящем из катушки индуктивностью 10 мкГн и конденсатора емкостью 100 нФ.
3. Напряжение на клеммах генератора изменяется по закону

U = 400 Cos 300πt. Найдите амплитуду и действующее значение напряжения, период и циклическую частоту электромагнитных колебаний (все величины выражены в СИ).

4. Трансформатор с коэффициентом трансформации 0,1 имеет на вторичной обмотке напряжение 3 кВ. Определите напряжение на первичной обмотке и вид трансформатора.
5. Считая, что скорость звука в воздухе равна 340 м/с, определите длину звуковой волны с частотой 5,1 кГц

УРОК № 24

21.02.2023г. ГРУППА 403. 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.

Для передачи движения немного отличающиеся друг от друга изображения движущегося объекта (кадры) передаются десятки раз в секунду (в России - 50 раз в секунду). Изображение кадра преобразуется с помощью передающей вакуумной электронной трубки-кинескопа в серию электрических сигналов. Кроме кинескопа существуют и другие передающие устройства.

 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.

Совершенствуются и находят новые применения и такие сравнительно старые средства связи, как телеграф и фототелеграф. В год по фототелеграфу передаются десятки тысяч газетных полос, с которых печатаются сотни миллионов экземпляров газет. Телевидение охватывает почти все населенные пункты. В нашей стране создается Единая автоматизированная система связи. В связи с этим развиваются, совершенствуются и находят новые области применения различные технические средства связи.

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 №23

21.02.2023 г. ГРУППА 403. ФИЗИКА. ТЕМА «Свойства электромагнитных волн» 

 Современные радиотехнические устройства позволяют провести очень наглядные опыты по наблюдению свойств электромагнитных волн. При этом лучше всего пользоваться волнами сантиметрового диапазона.

  Эти волны излучаются специальным генератором сверхвысокой частоты (СВЧ). Электрические колебания генератора модулируют звуковой частотой. Принятый сигнал после детектирования подается на громкоговоритель. Электромагнитные волны излучаются рупорной антенной в направлении оси рупора. Приемная антенна в виде такого же рупора улавливает волны, которые распространяются вдоль его оси.

 Поглощение электромагнитных волн.

  Располагают рупоры друг против друга и, добившись хорошей слышимости звука в громкоговорителе, помещают между рупорами различные диэлектрические тела. При этом замечают уменьшение громкости.

  Отражение электромагнитных волн.

  Если диэлектрик заменить металлической пластиной, то звук перестанет быть слышимым. Волны не достигают приемника вследствие отражения. Отражение происходит под углом, равным углу падения, как и в случае световых и механических волн. Чтобы убедиться в этом, рупоры располагают под одинаковыми углами к большому металлическому листу.

 

Звук исчезнет, если убрать лист или повернуть его.

  Преломление электромагнитных волн.

 Электромагнитные волны изменяют свое направление (преломляются) на границе диэлектрика. Это можно обнаружить с помощью большой треугольной призмы из парафина. Рупоры располагают под углом друг к другу, как и при демонстрации отражения. Металлический лист заменяют затем призмой. Убирая призму или поворачивая ее, наблюдают исчезновение звука.

Поперечность электромагнитных волн

 Электромагнитные волны являются поперечными. Это означает, что векторы и электромагнитного поля волны перпендикулярны направлению ее распространения. При этом векторы и взаимно перпендикулярны.

 Волны с определенным направлением колебаний этих векторов называются поляризованными. Приемный рупор с детектором принимает только поляризованную в определенном направлении волну. Это можно обнаружить, повернув передающий или приемный рупор на 90°. Звук при этом исчезает. Поляризацию наблюдают, помещая между генератором и приемником решетку из параллельных металлических стержней.

 

Решетку располагают так, чтобы стержни были горизонтальными или вертикальными. При одном из этих положений, когда электрический вектор параллелен стержням, в них возбуждаются токи, в результате чего решетка отражает волны, подобно сплошной металлической пластине. Когда же вектор перпендикулярен стержням, токи в них не возбуждаются и электромагнитная волна проходит через решетку.

 Итак, электромагнитные волны обладают следующими свойствами.

  Они поглощаются, отражаются, испытывают преломление, поляризуются. Последнее свойство свидетельствует о поперечности этих волн

 

Тест.  Ответить.

Тема: « Свойства электромагнитных волн»

1.Чему равно скорость электромагнитной волны,

А. 300000м/с

В. 300000км/с

С. 300000км/ч

2.К какому виду волн относятся электромагнитные волны?

А. поперечные

В.продольные

С.могут быть, как поперечные, так и продольные.

3.Каково взаимное направление колебаний векторов напряженности электрического поля и индукции магнитного поля в электромагнитной волне?

А. направления совпадают

В. колеблются во взаимно перпендикулярных направлениях

С. колеблются в противоположных направлениях

4. Каков сдвиг фаз в электромагнитной волне

А. в одной фазе

В. может быть любой

С. в противоположных фазах

5. Выберите правильное (-ые) утверждение(-я):

А. Максвелл, опираясь на эксперименты Фарадея по исследованию электромагнитной индукции, теоретически предсказал существование электромагнитных волн.

В. Герц, опираясь на теоретические предсказания Максвелла, обнаружил электромагнитные волны экспериментально.

С. Максвелл, опираясь на эксперименты Герца по исследованию электромагнитных волн, создал теорию их распространения в вакууме.

6. В каком из приведенных случаев в пространстве вокруг описанного объекта возникает электромагнитная волна?

А. по проводнику течет переменный ток.

В. по проводнику течет постоянный ток

УРОК №22

15 .02.2023г. ГРУППА  403. 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.

Этот прибор представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. В трубке помещены мелкие металлические опилки. Принцип действия прибора основан на влиянии электрических разрядов на металлические порошки.

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:

 

В приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания. Такой процесс преобразования сигнала называют детектированием. Полученный в результате детектирования сигнал соответствует тому звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика. После усиления колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.

 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

УРОК № 21

Г)     15. 02.2023г. ГРУППА 403. ФИЗИКА. ТЕМА «Открытый колебательный контур» Антенны   Электромагнитные колебания, возникшие в замкнутом контуре, в окружающее его пространство практически не излучаются. Для этих целей примеряется открытый колебательный контур, который называется антенной или вибратором.    Если раздвигать пластины конденсатора, интенсивность излучения электромагнитных волн в окружающее пространство будет возрастать, а замкнутый колебательный контур превратится в открытый.  Емкость открытого колебательного контура образована двумя длинными проводами, отходящими от концов катушки. По всей длине любого провода распределено огромное количество элементарных индуктивностей и емкостей. Полученный колебательный контур называется симметричной полуволновой антенной или симметричным полуволновым вибратором. Антенна состоит из двух одинаковых половин, поэтому она симметричная. Полуволновой она называется потому, что резонанс на частоте сигнала будет в ней в том случае, если длина L будет равна половине длины волны принимаемого или передаваемого сигнала.   При появлении в ней колебаний электрического тока вокруг антенны будут образовываться переменные магнитное и электрическое поля, создающие в совокупности электромагнитное поле. Это поле распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Частота колебаний электромагнитного поля соответствует частоте колебаний тока в антенне, а дальность его излучения зависит от амплитуды переменного тока в антенне, т. е. от мощности электрических колебаний в антенне.    Широкое распространение имеет несимметричный вибратор. Он представляет собой одну половину симметричной антенны, а другая заменена шасси приемника, корпусом радиостанции, корпусом автомобиля или противовесом.   Ток максимален в основании несимметричной антенны, а на конце равен нулю. Напряжение максимально на конце, а в основании равно нулю.   Эта антенна еще называется четвертьволновой потому, что резонанс будет в том случае, если ее длина будет равна четверти длины волны принимаемого сигнала. Распространение радиоволн Электромагнитными волнами или радиоволнами называется совокупность электрических и магнитных полей распространяющихся в пространстве. Радиоволны делятся на диапазоны: ДВ- до 100 кГц, 30-100 кГц; СВ- 100 кГц-1500 кГц; КВ- 6 мГц- 30 мГц; УКВ- свыше 30 мГц.   УКВ делятся на: метровые волны 30-300 мГц; дециметровые 300 -3000 мГц; сантиметровые 3000-30000 мГц.    Электромагнитные волны распространяются со скоростью, близкой к скорости света (С=300000 км/сек). В отличие от звуковых электромагнитные волны могут распространяться и в безвоздушном пространстве, например в космосе. При этом они теряют часть своей энергии и постепенно затухают. Степень затухания и величина расстояния, «пройденного» электромагнитными волнами, в значительной степени зависят от длины волны.    Длиной электромагнитной волны λ называют расстояние, на которое она распространяется за период Т одного колебания тока в антенне, т. е. λ=СТ.    Зная длину волны, можно определить частоту колебаний тока в антенне: ύ= C/λ.    На практике для перевода частоты колебаний в длину волны и длины волны в частоту удобно пользоваться следующими формулами: При подстановке в эти соотношения длины волны в метрах частота будет измеряться в мегагерцах.       В однородной среде радиоволны распространяются прямолинейно. Однако атмосфера — неоднородная среда. На разных расстояниях от передающей радиостанции давление, температура, плотность, влажность и другие параметры атмосферы различны.     Под действием солнечных и космических излучений из атомов газов, входящих в состав атмосферы, выделяются свободные электроны, а атомы превращаются в положительные ионы. Этот процесс называют ионизацией. Больше всего ионов содержится в верхнем слое атмосферы — ионосфере, находящейся на расстоянии 50...80 км от поверхности Земли. Скорость распространения радиоволн в средах с разными электрическими свойствами неодинакова. Это приводит к тому, что при переходе из одной среды в другую они преломляются, т. е. изменяется направление распространения радиоволн.     Радиоволны, излучаемые антенной, распространяются вдоль земной поверхности (поверхностные волны) и под углом к горизонту (пространственные волны).  Поверхностные радиоволны хорошо огибают предметы, если размеры последних меньше длины волны. При приеме сигналов радиостанций, работающих в длинноволновом диапазоне, в основном используется энергия поверхностных волн. Но энергия длинных поверхностных волн поглощается поверхностью Земли, поэтому по мере удаления от станции громкость приема ее передач уменьшается вплоть до полного исчезновения. Для увеличения дальности действия такой радиостанции повышают мощность ее передатчика.    Средние волны хуже огибают различные неровности земной поверхности и сильнее ею поглощаются. В связи с этим при одинаковых мощностях передатчиков расстояние, на котором осуществляется уверенный прием передач длинноволновой радиостанции, больше, чем средневолновой.    Основным достоинством поверхностных радиоволн является то, что в пределах их действия обеспечивается устойчивая радиосвязь.     Не вся энергия электромагнитных волн, излучаемых антенной радиостанции, переносится поверхностными радиоволнами, часть ее создает пространственные радиоволны, которые, достигнув слоя ионосферы, преломляются в сторону Земли. Степень преломления зависит от плотности ионизированных атомов газа, угла падения пространственной волны и ее длины: чем длиннее радиоволна, тем сильнее она преломляется. Пространственные радиоволны длинноволнового диапазона преломляются в нижних слоях ионосферы, и направление их распространения в этих слоях изменяется настолько, что они снова направляются к Земле, как бы отразившись от ионосферы. Пространственные радиоволны могут попасть в зону, куда не доходят поверхностные радиоволны. Благодаря этому можно слушать передачи радиостанции, работающей в ДВ диапазоне, в районе, которого не достигают поверхностные радиоволны.  Между  зонами  приема   поверхностных  и  пространственных радиоволн находится зона, в которой прием сигнала работающей радиостанции отсутствует. Ее называют «мертвой» зоной, или зоной молчания.     Пространственные радиоволны СВ диапазона глубже проникают в ионосферу, чем длинные волны, и вследствие этого происходит их более сильное затухание. Днем оно настолько значительное, что радиосвязь в СВ диапазоне можно осуществлять лишь с помощью поверхностных волн. С заходом солнца ионизация атомов газа уменьшается, ослабляется и затухание пространственных волн. Вот почему ночью СВ диапазон почти полностью «забит» работающими радиостанциями, а днем в этом диапазоне слышны лишь близко расположенные или мощные радиостанции.     Поверхностные волны коротковолнового диапазона затухают интенсивнее, чем средние волны. Поэтому радиосвязь с пунктами, расположенными на больших расстояниях, осуществляется на KB с помощью пространственных волн, благодаря их многократному преломлению в ионосфере. Проникнув в ионосферу, короткие волны могут пройти в ней значительное расстояние без заметного затухания и вернуться обратно на Землю за тысячи километров от радиостанции или, обогнув Землю, быть принятыми в месте расположения радиостанции. Недостатком коротких волн является наличие зон молчания. Кроме того, непостоянство свойств ионосферы в течение суток (например, вследствие изменения солнечной активности), времен года не оставляет неизменной степень преломления пространственной радиоволны. Это приводит к изменению границ зоны приема пространственной волны и зоны молчания. При работе на KB наблюдаются также «замирания» радиоволн: громкость радиопередачи уменьшается и может даже полностью исчезнуть. Через некоторое время она снова появляется и увеличивается до уровня нормальной.    Ультракороткие волны не отражаются от ионосферы, а проходят через нее. Поэтому радиосвязь на УКВ возможна только с помощью поверхностных волн.    Можно считать, что УКВ вблизи земной поверхности распространяются прямолинейно, т. е. в пределах прямой видимости. Однако неоднородность атмосферы приводит к тому, что УКВ распространяются несколько дальше прямой видимости. В некоторых случаях радиоволны, излучаемые под малым углом к горизонту, преломляются так, что снова попадают на Землю, отражаются от нее, затем, отразившись от нижних слоев атмосферы, опять попадают на Землю и т. д.  Область, в которой происходит описанное явление, образует так называемый волноводный канал. Дальность радиосвязи в таком случае может в десятки раз превышать дальность прямой видимости. Этим явлением объясняются случаи сверхдальнего приема радио и телепередач.     Чтобы увеличить дальность радиосвязи на УКВ, необходимо увеличить дальность прямой видимости. Для этого передающую и приемную антенны устанавливают как можно выше. Так как УКВ более сильно затухают в атмосфере, для увеличения расстояния их распространения следует увеличивать мощность передатчика.    Дальность радиопередач можно значительно увеличить, используя искусственные спутники Земли, которые принимают УКВ, усиливают их и снова излучают на Землю. З:ЗАДАНИЕ: ь подготовить конспект.

УРОК №20

15.02.2023г. ГРУППА 403.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.                       ν = v /λ = с/λ = 3∙ 108 /200 = 1,5∙106 Гц              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

6.     Гамма излучение

 

УРОК №19 

14.02.2023 г. ГРУППА 403.  ФИЗИКА. «РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ «ТРАНСФОРМАТОРЫ»

. Задача №1

Определите напряжение на концах первичной обмотки трансформатора, имеющей N₁=2000 витков, если напряжение на концах вторичной обмотки, содержащей N₂=5000 витков, равно 50 В. Активными сопротивлениями обмоток трансформатора можно пренебречь.

Решение

Применим формулу для коэффициента трансформации:

k=N₁/N₂=U₁/U₂

Из данной формулы следует, что:

U₁=U₂⋅N₁ /N₂

Подставим значения и вычислим:

U1=50⋅2000 /5000=20 В

Ответ: 20 В.

Задача  №2

Первичная обмотка трансформатора находится под напряжением 220 В, по ней проходит ток 0,5 А. На вторичной обмотке напряжение составляет 9,5 В, а сила тока равна 11 А. Определите коэффициент полезного действия трансформатора.

Решение

Формула для коэффициента полезного действия трансформатора:

η=P₂/ P₁⋅100%

Здесь P=UI –  мощность тока в обмотке.

Возьмем данные из условия и применим указанную формулу:

η=U₂ I ₂ / U ₁I₁⋅100%     η=9,5⋅11 /220⋅0,5⋅100%=95%

Ответ: 95%

Задача  №3

Напряжение на первичной обмотке понижающего трансформатора 220 В, мощность 44 Вт. Определите силу тока во вторичной обмотке, если отношения числа витков обмоток равно 5. Потерями энергии можно пренебречь

Решение

Напряжение на вторичной обмотке будет равно:

U₂=U ₁k      U2=2205=44 В

Если считать, что потерь энергии нет, то мощность во вторичной обмотке будет такая же, как и в первичной:

I₂ = P₂ /U₂=44 Вт/44 В=1 А

Ответ: 1А

При решении задач не забывайте проверять размерности величин!

Задача №4

Понижающий трансформатор включен в сеть с напряжением 1000 В и потребляет от сети мощность, равную 400 Вт. Каков КПД трансформатора, если во вторичной обмотке течет ток 3,8 А, а коэффициент трансформации равен 10?

Решение

Сначала определим напряжение на вторичной обмотке трансформатора:

U₂ =U_1/ / k=1000/10=100 В

Запишем формулу для КПД трансформатора и рассчитаем:

η=P₂ /P₁⋅100%= U₂ I₂/P₁⋅100%   η=100⋅3,8400⋅100%=95%

Ответ: 95%

Вопросы на тему «Трансформаторы»

Вопрос 1. Что такое трансформатор?

Вопрос 2. Где используются трансформаторы?.

Вопрос 3. Какие бывают трансформаторы?

Ответ. Трансформаторы делятся на:

• силовые;
• сварочные;
• измерительные;
• импульсные;
• разделительные;
• согласующие и т.д.

Помимо этого трансформаторы разделяют по числу фаз: однофазные, двухфазные, трехфазные и многофазные.

Вопрос 4. Из чего состоит простейший трансформатор?

Вопрос 5. Когда изобрели трансформатор?

Ответ.  Прообразом трансформатора считается индукционная _{катушка француза Г. Румкорфа, представленная в 1848-м. В 1876 году} русский электротехник П. Н. Яблочков запатентовал трансформатор переменного тока с разомкнутым сердечником. Затем английские братья Гопкинсон, а также румыны К. Циперановский и О. Блати доработали устройство, добавив  замкнутый магнитопровод. В таком виде конструкция трансформатора остается актуальной и по сей день.

В основе работы трансформатора лежит явление электромагнитной индукции, открытое Майклом Фарадеем.

 Решите самостоятельно:

 1 На сколько больше должно быть число витков во вторичной обмотке трансформатора  с коэффициентом трансформации, равном 4, если число витков в первичной обмотке равно 1000?

 2.Первичная обмотка понижающего трансформатора включена в сеть переменного тока с напряжением U_{1 =}  220 B.  Напряжение на зажимах вторичной обмотки, сопротивление которой R₂ =1 Ом,   U₂ = 20 B. Сила тока во вторичной обмотке 2 А. Определите КПД трансформатора и коэффициент трансформации.

УРОК №18

14.02.2023г. ГРУППА  403. ФИЗИКА.  ТЕМА . «Трансформаторы»

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.

 

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. Магнитное поле первичной катушки — переменное и меняется с той же частотой, что и ток в первичной катушке. Переменный ток в первой катушке создаёт в стальном сердечнике переменное магнитное поле. Это переменное магнитное поле пронизывает другую катушку, называемую вторичной, и создаёт в ней переменный индукционный ток.

 

Допустим, что первичная катушка имеет n₁  витков, и по ней проходит переменный ток при напряжении U₁. Вторичная обмотка имеет n₂ витков, и в ней индуцируется переменный ток при напряжении U₂.

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? 

УРОК №18

14 .02.2023. ГРУППА 403. ФИЗИКА. ТЕМА «Генератор переменного тока.»

Машины, превращающие механическую энергию в энергию электрического тока, называются генераторами.

 Действие их основано на явлении электромагнитной индукции.

Простейшей схемой генератора может служить проводник в виде рамки, вращающейся вокруг оси ОО в магнитном поле постоянного магнита или электромагнита (рис. 180). При вращении рамки в ней возникает переменная э. д. с.

Если рамку соединить с внешней частью цепи, то в цепи появится переменный ток. Для соединения рамки с внешней цепью используются кольца, укреплённые на той же оси, на которой укреплена и вращающаяся рамка. К кольцам присоединяются концы рамки, а над каждым кольцом устанавливаются неподвижные скользящие контакты — щётки. При вращении   рамки за один оборот полярность щёток меняется два раза.

Мы рассмотрели на схеме принцип работы генератора переменного тока. Устройство генератора переменного тока значительно сложнее. С клемм генератора должно сниматься достаточно высокое напряжение; поэтому вместо одного витка приходится брать значительное их число и соответствующим образом соединять их между собой.

Однако такой тип генератора переменного тока с неподвижной магнитной системой (индуктором) и вращающимися витками (якорем), в которых возбуждается э. д. е., строится сравнительно редко. Это вызвано тем, что при помощи подвижных контактов практически невозможно отводить от генератора ток высокого напряжения из-за сильного искрения в подвижных контактах.

Поэтому почти во всех генераторах переменного тока обмотку (якорь), в которой индуктируется э.д.е., устанавливают неподвижно, а вращаться заставляют магнитную систему (индуктор).
Неподвижная часть машины получила название статора, а подвижная — ротора.

Статор генератора переменного тока собирается из листовой стали (для борьбы с вихревыми токами). В пазах, сделанных  во внутренней полости статора, укладываются проводники, в которых индуктируется э. д. с. (рис. 181, а). Вращающаяся электромагнитная система — ротор — имеет вид, показанный на рисунке 181, б. На магнитные полюсы ротора надеты обмотки, по которым пропускается постоянный ток. Этот ток подводится к обмотке через щётки и кольца от постороннего источника постоянного тока.

На рисунке 181, в показана полная схема генератора переменного тока, где отчётливо видно, что если ротор вращать какой-либо внешней механической силой, то вместе с ним будет вращаться и создаваемое им магнитное иоле. При этом силовые линии поля будут пересекать проводники, вложенные в пазы статора, и индуктировать в них э. д. с. Величина суммарной э. д. с. генератора будет зависеть от размера и типа обмотки статора, величины магнитного поля ротора и скорости его вращения.

На рисунке 182 изображён внешний вид мощного гидрогенератора Днепрогэса имени В. И. Ленина. Ротор генератора питается постоянным током, даваемым небольшой машиной постоянного тока, находящейся на одном валу с генератором.

УРОК№ 17

08.02.2023г. . ГРУППА 403. ФИЗИКА. ТЕМА «Электрический резонанс»

Условия, при которых возникает электрический резонанс:

1. частота внешнего напряжения (ЭДС генератора) совпадает с собственной частотой колебательного контура»

2.  амплитуда тока зависит от величины активного сопротивления
3. разность фаз между током и напряжением равна
4. напряжение на катушке индуктивности и напряжение на конденсаторе равны между собой и во много раз больше внешнего, равного напряжению   на   активном   сопротивлении 
5. общее сопротивление равно активному т.к XL=XC

6. амплитуда колебаний (величина заряда) устанавливается не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени

5. энергия   полностью   поступает в   электрическую цепь   и    безвозвратно   превращается  в  другие   виды энергий.

Применение электрического резонанса: 

1. входной контур радиоприемника (посмотрите  рисунок учебника и объясните принципа действия приемного колебательного контура)
2.   резонансный волномер, объяснение принципа действия волномера  с переменной емкостью

Закрепление нового материала:

1.	Какая величина в электромагнитных колебаниях играет такую же роль, что и коэффициент трения в механических колебаниях? Ответ: активное сопротивление R.
2.	Что происходит с энергией колебательного контура, если он не является идеальным? Ответ: энергия реального колебательного контура уменьшается со временем.
3.	Что будет происходить с колебаниями в таком контуре? Ответ: колебания затухают.
4.	Как можно сделать колебания в реальном колебательном контуре незатухающими? Ответ: подключить внешний источник переменного (синусоидального) напряжения для компенсации энергетических потерь колебательного контура .
5.	От чего зависит амплитуда электрического тока в колебательном контуре при вынужденных колебаниях? Ответ: от частоты внешнего генератора ω.
6.	Дайте определение резонанса в электрической цепи. Ответ: резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура. Решение задач:
7.	1. В цепь переменного тока с циклической частотой 2582 рад/с включена катушка индуктивностью 3 мГн. Конденсатор какой емкости надо включить в эту цепь, чтобы осуществился резонанс? Дано: ω = 2582 рад/с, L = 3 мГн = 3∙10-3 Гн. ____________________ C – ? Решение. Ответ: требуемая емкость конденсатора равна 50 мкФ.
9.	Задача2 В электрическую цепь с циклической частотой переменного тока 2000 рад/с включен конденсатор емкостью 100 мкФ. Катушку какой индуктивности нужно включить в эту цепь, чтобы осуществился резонанс? Дано: ω = 2000 рад/с, C = 100 мкФ = 10-4 Ф. ____________________ L – ? Решение. Ответ: требуемая индуктивность катушки равна 2,5 мГн.

 

УРОК №16

08.02. 2023г. ГРУППА 403. ФИЗИКА. ТЕМА «Закон Ома в цепи переменного  тока. Мощность»

После открытия в 1831 году Фарадеем электромагнитной индукции, появились первые генераторы постоянного, а после и переменного тока. Преимущество последних заключается в том, что переменный ток передается потребителю с меньшими потерями.

При увеличении напряжения в цепи, ток будет увеличиваться аналогично случаю с постоянным током. Но в цепи переменного тока сопротивление оказывается катушкой индуктивности и конденсатор. Основываясь на этом, запишем закон Ома для переменного тока: значение тока в цепи переменного тока прямо пропорционально напряжению в цепи и обратно пропорционально полному сопротивлению цепи.

где

• I [А] – сила тока,
• U [В] – напряжение,
• Z [Ом] – полное сопротивление цепи.

Полное сопротивление цепи

В общем случае полное сопротивление цепи переменного тока (рис. 1) состоит из активного (R [Ом]), индуктивного, и емкостного сопротивлений. Иными словами, ток в цепи переменного тока зависит не только от активного омического сопротивления, но и от величины емкости (C [Ф]) и индуктивности (L [Гн]). Полное сопротивление цепи переменного тока можно вычислить по формуле:

где

       Хl - индуктивное сопротивление, оказываемое переменному току, обусловленное индуктивностью электрической цепи, создается катушкой.

Хс- емкостное сопротивление, создается конденсатором.

Полное сопротивление цепи переменного тока можно изобразить графически как гипотенузу прямоугольного треугольника, у которого катетами являются активное и индуктивное сопротивления.

Рис.1. Треугольник сопротивлений

Учитывая последние равенства, запишем формулу закона Ома для переменного тока:        

I_m– амплитудное значение силы тока.

Рис.2. Последовательная электрическая цепь из R, L, C элементов.

Из опыта можно определить, что в такой цепи колебания тока и напряжения не совпадают по фазе, а разность фаз между этими величинами зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора.

РЕБЯТА! ПОЖАЛУЙСТА, ПОСМОТРИТЕ ВИДЕОФИЛЬМ

ЗАДАНИЕ

1. Составить конспект в тетради.

2. Решить задачу.

Напряжение на конденсаторе в цепи переменного тока меняется с циклической  частотой ω =4000 с^-1 . Амплитуда колебаний напряжения и силы тока U _max = 200 B     I_max = 4 A. Определить ёмкость  конденсатора.

УРОК №15

   08.01.2023г ГРУППА 403. 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.

𝒾 - мгновенное значение силы тока;

ℐ_m- амплитудное значение силы тока.

– колебания напряжения на концах цепи.

Колебания ЭДС индукции определяются формулами:

При совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность равна произведению мгновенных значений силы тока и напряжения. Среднее значение мощности равно половине произведения квадрата амплитуды силы тока и активного сопротивления.

Часто к параметрам и характеристикам переменного тока относят действующие значения. Напряжение, ток или ЭДС, которая действует в цепи в каждый момент времени - мгновенное значение (помечают строчными буквами - і, u, e). Однако оценивать переменный ток, совершенную им работу, создаваемое тепло сложно рассчитывать по мгновенному значению, так как оно постоянно меняется. Поэтому применяют действующее, которое характеризует силу постоянного тока, выделяющего за время прохождения по проводнику столько же тепла, сколько это делает переменный.

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.

U_m - амплитудное значение напряжения.

Действующие значения силы тока и напряжения:

Электрическая аппаратура в цепях переменного тока показывает именно действующие значения измеряемых величин.

Конденсатор включенный в электрическую цепь оказывает сопротивление прохождению тока. Это сопротивление называют ёмкостным.

Величину Х_C, 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 Х_L, равную произведению циклической частоты на индуктивность, называют индуктивным сопротивлением.

X_L= 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

Закон Ома для электрической цепи переменного тока  имеет вид:

Преимущество применения переменного тока заключается в том, что он передаётся потребителю с меньшими потерями.

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:

Время одного оборота, т.е. период связан с циклической частотой формулой:

Подставляем числовые данные:

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 №12-14

 07 .02.2023. ГРУППА 403.  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 W_э  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 W_м 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
  
    в энергию магнитного поля катушки с током  
  
  
      и наоборот. Если отсутствуют потери (сопротивление R=0), то сила тока, заряд и напряжение со временем изменяются по гармоническому закону. Колебания, происходящие по закону косинуса или синуса, называются гармоническими. Уравнение гармонического колебания заряда :   .
• 
  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      

 где L – индуктивность катушки,   С – емкость конденсатора, T – период  э/м колебаний.
В реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания

являются затухающими из-за потери энергии при нагревании проводов.

 

ЗАДАНИЕ:

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

УРОК №11

01.02.2023г. ГРУППА 403. 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)

УРОК №10

 01.02.2023г. ГРУППА 403. 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

Задача 4. Запишите уравнение гармонического колебания по следующим параметрам:  амплитуда А =10 см; начальная фаза колебания φ₀ = π/4; циклическая частота ω = 2π.

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 № 9

25.01.23г. Группа 403. 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.

  Источник звука - различные колеблющиеся тела, например туго натянутая струна или тонкая стальная пластина, зажатая с одной стороны.

Как возникают колебательные движения? Достаточно оттянуть и отпустить струну музыкального инструмента или стальную пластину, зажатую одним концом в тисках, как они будут издавать звук. Колебания струны или металлической пластинки передаются окружающему воздуху. Когда пластинка отклонится, например в правую сторону, она уплотняет (сжимает) слои воздуха, прилегающие к ней справа; при этом слой воздуха, прилегающий к пластине с левой стороны, разредится. При отклонении пластины в левую сторону она сжимает слои воздуха слева и разрежает слои воздуха, прилегающие к ней с правой стороны, и т.д. Сжатие и разрежение прилегающих к пластине слоев воздуха будет передаваться соседним слоям. Этот процесс будет периодически повторяться, постепенно ослабевая, до полного прекращения колебаний .

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.

  Человеческое ухо способно воспринимать упругие волны с частотой примерно от 16 Гц до 20 кГц.

.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.

ЗАДАНИЕ:  Ответьте на вопросы теста

1.Скорость распространения звука наименьшая в средах:

-в газах

-жидкостях

твёрдых телах

во льду

           2    Летучие мыши ориентируются в пространстве, определяя расстояние до препятствия с помощью...

              3.На концертах рок-групп слушатели  нередко приходят в возбуждённое состояние, часто возникает чувство тревожности и беспокойства. Это связано:

-с резонансным влиянием звуков низких частот на человеческий организм

с резонансным влиянием высоких частот на человеческий организм

с влиянием ультразвука на мозг человека

с отражением звуковых волн от человеческого тела

4. После вспышки молнии грозовой раскат стал слышен через 6 с. На 

каком расстоянии от наблюдателя примерно находится грозовой фронт?

(Скорость звука в воздухе считать равным примерно  340 м/с)

5.  Звуковые волны являются только:

-только продольными волнами сжатия

только поперечными волнами

только продольными волнами разряжения

продольными волнами разряжения и сжатия

6. От громкого звука эхо стало слышно через 2 с. На каком расстоянии

от препятствия, от которого отразился звук, находится наблюдатель?

Ребята! Напишите реферат по теме: "Ультразвук. Применение ультразвука", используя данное сообщение.

УРОК № 7-8

25.01.2023г. ГРУППА 403.  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 №6

18.01.2023г. ГРУППА 403. 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 

Чему равны циклическая частота колебаний, линейная частота колебаний, начальная фаза колебаний?

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?

Задача № 10.  Два математических маятника за одно и то же время совершают — первый N₁ = 30, а второй — N₂ = 40 колебаний. Какова длина каждого из них, если разность их длин Δl = 7 см?

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 №5

18 .01.2023г. ГРУППА  403. 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.

РЕЗОНАНС

 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 №4

18 .01.2023г.  ГРУППА 403. ФИЗИКА. Лабораторная работа №3 3 «Определение ускорения свободного падения при помощи маятника»

 (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 g_{среднее} 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 =11/ 5 = 2,2 c

T₂= 20 / 10 =2,0c

T₃ =28 /15  =1,9c

T₄ =39 / 20   =1,95c

T₅ =51/ 25  =2,0c

Ускорение свободного падения определяем по формуле:

                               g₁ = 8, 1  м/с²                 g₄ = 10 ,3м/с²

                              g₂= 9, 86м/с²                    g₅ =  =9,86 м/с²

                g₃ = 10, 7  м/с²                             g_ср. =  =9,76 м/с²

В третьем задании находите период, аналогично заданию1, а частоту находите из формулы:

ν =  1/Т , где Т –период колебания маятника

А теперь рассчитаем погрешность измерения для ускорения свободного падения g

έ = 0,04  или в процентах έ =4%

9.    Сделать вывод, ответить на контрольные вопросы.

10.    Ответить на контрольные вопросы.

 Контрольные вопросы:

1.   Что называется математическим маятником?

2.  Зависит ли ускорение свободного падения от широты местности, высоты над поверхностью земли? Если зависит, то почему?

3.   Можно ли пользоваться маятниковыми часами в условиях невесомости?

4.   В каких положениях действующая на шарик возвращающая сила будет максимальна, равна нулю?

5.  Наблюдая за движением шарика в течение одного периода, ответьте на вопрос: будет ли оно равноускоренным?

6.  Изменится ли результат определения ускорения свободного падения, если проделать опыт с шариком другой массы? С нитью другой длины?

Задание:     Сообщение по теме: «Законы механики на благо человечества»

 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 №3 

07.09.2022г. ГРУППА  403. 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 свободных колебаний математического маятника, движущегося вверх с ускорением или вниз с замедлением

Период свободных колебаний математического маятника, движущегося вниз с ускорением или вверх с замедлением:

Мгновенное значение потенциальной энергии математического маятника, поднявшегося на высоту в процессе колебания рассчитывается по формуле:ся по формуле:

где​l​ – длина нити, ​α​ – угол отклонения от вертикали.

Пружинный маятник – это тело, подвешенное на пружине и совершающее колебания вдоль вертикальной или горизонтальной оси под действием силы упругости пружины.

Период колебаний пружинного маятника:

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 №1-2    

 06.09.2022г. ГРУППА  403. 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)

где: x – смещение тела от положение равновесия, A – амплитуда колебаний, то есть максимальное смещение от положения равновесия, ω – циклическая или круговая частота колебаний (ω = 2Π/T), t – время. Величина, стоящая под знаком косинуса: φ = ωt + φ₀, называется фазой гармонического процесса. Смысл фазы колебаний: стадия, в которой колебание находится в данный момент времени. При t = 0 получаем, что φ = φ₀, поэтому φ₀ называют. Минимальный интервал времени, через который происходит повторение движения тела, называется периодом колебаний T. Если же количество колебаний N, а их время t, то период находится как:

                                           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 υ_m = ωA достигаются в те моменты времени, когда тело проходит через положения равновесия (x = 0). Аналогичным образом определяется ускорение a = a_x 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 = x_m 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.