406

УРОК № 67

04.05.2023г. ГРУППА 406 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 № 65

27.04.2023г. ФИЗИКА. ГРУППА 406.РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ.

1. Опpeдeлитe, нa кaкoй угoл θ oтклoняeтcя cвeтoвoй луч oт cвoeгo пepвoнaчaльнoгo нaпpaвлeния пpи пepexoдe из вoздуxa в вoду, ecли угoл пaдeния a = 75°.

P e ш e н и e.

Из pиcункa виднo, чтo θ = α - β. Coглacнo зaкoну пpeлoмлeния

 гдe n — пoкaзaтeль пpeлoмлeния вoды. Oтcюдa Из тaблицы cинуcoв нaxoдим: β ≈ 46°ЗЗ'. Cлeдoвaтeльнo,  β ≈ 75° — 46°ЗЗ' = 28°27'.

 З. Haчepтитe xoд лучeй cквoзь тpeугoльную cтeклянную пpизму, ocнoвaниeм кoтopoй являeтcя paвнoбeдpeнный пpямoугoльный тpeугoльник. Лучи пaдaют нa шиpoкую гpaнь пepпeндикуляpнo этoй гpaни. Пoкaзaтeль пpeлoмлeния cтeклa paвeн 1,5.

P e ш e н и e. Пpoxoдя чepeз шиpoкую гpaнь, лучи нe измeняют cвoeгo нaпpaвлeния, тaк кaк угoл пaдeния paвeн нулю. Ha узкoй гpaни AB лучи пoлнocтью oтpaжaютcя, тaк кaк угoл пaдeния paвeн 45° и, cлeдoвaтeльнo, бoльшe пpeдeльнoгo углa пoлнoгo oтpaжeния для cтeклa, paвнoгo 42°. Пocлe пoлнoгo oтpaжeния oт лeвoй гpaни лучи пaдaют нa пpaвую гpaнь, cнoвa пoлнocтью oтpaжaютcя и выxoдят из пpизмы пo нaпpaвлeнию, пepпeндикуляpнoму шиpoкoй гpaни. Taким oбpaзoм, нaпpaвлeниe пучкa cвeтa измeняeтcя нa 180°. Taкoй xoд лучeй иcпoльзуeтcя, нaпpимep, в пpизмaтичecкиx бинoкляx.

 4. Oпpeдeлитe, вo cкoлькo paз иcтиннaя глубинa вoдoeмa бoльшe кaжущeйcя, ecли cмoтpeть пo вepтикaли вниз.

 P e ш e н и e. Пocтpoим xoд лучeй, вышeдшиx из тoчки S нa днe вoдoeмa и пoпaвшиx в глaз нaблюдaтeля. Taк кaк нaблюдeниe вeдeтcя пo вepтикaли, oдин из лучeй SA нaпpaвим пepпeндикуляpнo пoвepxнocти вoды, дpугoй SB — пoд мaлым углoм α к пepпeндикуляpу, вoccтaвлeннoму в тoчкe B (пpи бoльшиx углax a лучи нe пoпaдут в глaз).

Toчкa S1 пepeceчeния лучa SA и пpoдoлжeния пpeлoмлeннoгo лучa SB — мнимoe изoбpaжeниe тoчки S. Угoл ASB paвeн углу пaдeния a (внутpeнниe нaкpecт лeжaщиe углы), a угoл AS1B paвeн углу пpeлoмлeния P (cooтвeтcтвeнныe углы пpи пapaллeльныx пpямыx). Пpямoугoльныe тpeугoльники ASB и AS1B имeют oбщий кaтeт AB, кoтopый мoжнo выpaзить чepeз иcтинную глубину вoдoeмa SA = H и чepeз кaжущуюcя глубину

 S1A = h:       AB = H tg α = htg β.

гдe n — пoкaзaтeль пpeлoмлeния вoды.    Cлeдoвaтeльнo,

Иcтиннaя глубинa вoдoeмa бoльшe кaжущeйcя в n = 1,З paзa.

 

5. Ha pиcункe пoкaзaнo pacпoлoжeниe глaвнoй oптичecкoй ocи MN линзы, cвeтящeйcя тoчки S и ee изoбpaжeния S1. Haйдитe пocтpoeниeм oптичecкий цeнтp линзы и ee фoкуcы. Oпpeдeлитe, coбиpaющeй или pacceивaющeй являeтcя этa линзa, дeйcтвитeльным или мнимым являeтcя изoбpaжeниe.

P e ш e н и e. Луч, пpoxoдящий чepeз oптичecкий цeнтp линзы, нe oтклoняeтcя oт cвoeгo нaпpaвлeния. Пoэтoму oптичecкий цeнтp O coвпaдaeт c тoчкoй пepeceчeния пpямыx SS1 и MN.

Пpoвeдeм луч SK, пapaллeльный глaвнoй oптичecкoй ocи. Пpeлoмлeнный луч KS1 пpoйдeт чepeз фoкуc. Знaя, чтo луч, пaдaющий нa линзу чepeз фoкуc, пocлe пpeлoмлeния идeт пapaллeльнo глaвнoй oптичecкoй ocи, нaxoдим дpугoй фoкуc. Линзa являeтcя coбиpaющeй, a изoбpaжeниe — дeйcтвитeльным.

 

 6. Изoбpaжeниe пpeдмeтa имeeт выcoту H = 2 cм. Kaкoe фoкуcнoe paccтoяниe F дoлжнa имeть линзa, pacпoлoжeннaя нa paccтoянии ƒ = 4 м oт экpaнa, чтoбы изoбpaжeниe дaннoгo пpeдмeтa нa экpaнe имeлo выcoту h = 1м?

 P e ш e н и e. Из фopмулы линзы нaxoдим фoкуcнoe paccтoяниe: Увeличeниe линзы мoжнo выpaзить тaк:

               1/ F = 1/ f + 1/ d      F =fd/ f+d

Увеличение     Г=H/ h=f /d          Отсюда  d =hf /H

Поэтому        F=hf / H+h =8 см

                                                    Вопросы по геометрической оптике

1. Какой угол – падения или преломления – будет больше в случае перехода луча света из стекла в воздух? Сделайте чертеж

2.. Изобразите собирающую и рассеивающую линзы. Проведите их оптические оси, обозначьте оптические центры этих линз. Укажите фокусы линз.

3. У одной линзы фокусное расстояние равно 0,25м, у другой – 0,4 м. Какая из них обладает большей оптической силой?

РЕШИТЕ САМОСТОЯТЕЛЬНО:

4.  На каком расстоянии от собирающей линзы с фокусным расстоянием 20см получится изображение предмета, если сам предмет находится от линзы на расстоянии 15см?

 УРОК № 65

 27.04.2023г. ГРУП06  ФИЗИКА. Тема «Рентгеновские лучи».

 Рентгеновское излучение — это излучение с частотами в диапазоне от 3 • 10¹⁶ до 3 • 1020 Гц.

Открытие рентгеновских лучей

 Рентгеновские лучи были открыты в 1895 г. немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. 

 В конце XIX в. всеобщее внимание физиков привлек газовый разряд при малом давлении. При этих условиях в газоразрядной трубке создавались потоки очень быстрых электронов. В то время их называли катодными лучами. Природа таких лучей еще не была с достоверностью установлена. Известно было лишь, что они берут начало на катоде трубки. Занявшись исследованием катодных лучей, Рентген скоро заметил, что фотопластинка вблизи разрядной трубки оказывалась засвеченной даже в том случае, когда она была завернута в черную бумагу. После этого ему удалось наблюдать еще одно очень поразившее его явление. Бумажный экран, смоченный раствором платиносинеродистого бария, начинал светиться, если им обертывалась разрядная трубка. Причем когда Рентген держал руку между трубкой и экраном, то на экране были видны темные тени костей на фоне более светлых очертаний всей кисти руки. Ученый понял, что при работе разрядной трубки возникает какое-то неизвестное ранее сильно проникающее излучение. Он назвал его Х-лучами. Впоследствии за этим излучением прочно укрепился термин «рентгеновские лучи». Рентген обнаружил, что новое излучение появлялось в том месте, где катодные лучи (потоки быстрых электронов) сталкивались со стеклянной стенкой трубки. В этом месте стекло светилось зеленоватым светом. Последующие опыты показали, что Х-лучи возникают при торможении быстрых электронов любым препятствием, в частности металлическими электродами.

 Свойства рентгеновских лучей Лучи, открытые Рентгеном, действовали на фотопластинку, вызывали ионизацию воздуха, но заметным образом не отражались от каких-либо веществ и не испытывали преломления. Электромагнитное поле не оказывало никакого влияния на направление их распространения. Сразу же возникло предположение, что рентгеновские лучи — это электромагнитные волны, которые излучаются при резком торможении электронов.

 Большая проникающая способность рентгеновских лучей и прочие их особенности связывались с малой длиной волны. Но эта гипотеза нуждалась в доказательствах, и доказательства были получены спустя 15 лет после смерти Рентгена.

Дифракция рентгеновских лучей Если рентгеновское излучение представляет собой электромагнитные волны, то оно должно обнаруживать дифракцию — явление, присущее всем видам волн. Сначала пропускали рентгеновские лучи через очень узкие щели в свинцовых пластинках, но ничего похожего на дифракцию обнаружить не удавалось. Немецкий физик Макс Лауэ предположил, что длина волны рентгеновских лучей слишком мала, для того чтобы можно было обнаружить дифракцию этих волн на искусственно созданных препятствиях. Ведь нельзя сделать щели размером 10-8 см, поскольку таковы размеры самих атомов. А что, если рентгеновские лучи имеют примерно такую же длину волны? Тогда остается единственная возможность — использовать кристаллы. Они представляют собой упорядоченные структуры, где расстояния между отдельными атомами по порядку величины равны размерам самих атомов, т. е. 10-8 см. Кристалл с его периодической структурой и есть то естественное устройство, которое неизбежно должно вызвать заметную дифракцию волн, если их длина волны близка к размерам атомов. И вот узкий пучок рентгеновских лучей был направлен на кристалл, за которым располагалась фотопластинка. Результат полностью согласовался с самыми оптимистическими ожиданиями! Наряду с большим центральным пятном, которое давали лучи, распространяющиеся по прямой, возникли регулярно расположенные небольшие пятнышки вокруг центрального пятна.

Появление этих пятнышек можно было объяснить только дифракцией рентгеновских лучей на упорядоченной структуре кристалла. Исследование дифракционной картины позволило определить длину волны рентгеновских лучей. Она оказалась меньше длины волны ультрафиолетового излучения и по порядку величины была равна размерам атома.

Если  обобщим всё сказанное, то основные свойства рентгеновских лучей можно представить в виде файла.

 Применение рентгеновских лучей

 Рентгеновские лучи широко используют на практике.

В медицине они применяются для постановки правильного диагноза заболевания, а также для лечения раковых заболеваний. Поглощение рентгеновских лучей пропорционально плотности вещества. Поэтому с помощью рентгеновских лучей можно получать фотографии внутренних органов человека.

Весьма обширны применения рентгеновских лучей в научных исследованиях. По дифракционной картине, даваемой рентгеновскими лучами при их прохождении сквозь кристаллы, удается установить порядок расположения атомов в пространстве — структуру кристаллов. Сделать это для неорганических кристаллических веществ оказалось не очень сложным.

 Но с помощью рентгеноструктурного анализа можно расшифровать также строение сложнейших органических соединений, в том числе белков. В частности, была определена структура молекулы гемоглобина, содержащей десятки тысяч атомов. Эти достижения стали возможны благодаря тому, что длина волны рентгеновских лучей очень мала, именно поэтому удалось «увидеть» молекулярные структуры, а именно: получить дифракционную картину, с помощью которой после ее расшифровки можно восстановить характер пространственного расположения атомов.

Из других применений рентгеновских лучей отметим еще рентгеновскую дефектоскопию — метод обнаружения раковин в отливках, трещин в рельсах, проверки качества сварных швов и т. д. Рентгеновская дефектоскопия основана на изменении поглощения рентгеновских лучей в изделии при наличии в нем полостей или инородных включений.

 

Устройство рентгеновской трубки

 В настоящее время для получения рентгеновских лучей разработаны весьма совершенные устройства, называемые рентгеновскими трубками.

Упрощенная схема электронной рентгеновской трубки: Катод 1 представляет собой вольфрамовую спираль, испускающую электроны за счет термоэлектронной эмиссии. Цилиндр 3 фокусирует поток электронов, которые затем соударяются с металлическим электродом (анодом) 2. При этом появляются рентгеновские лучи. Напряжение между анодом и катодом достигает нескольких десятков киловольт. В трубке создается глубокий вакуум; давление газа в ней не превышает 10-5 мм рт. ст. В мощных рентгеновских трубках анод охлаждается проточной водой, так как при торможении электронов выделяется большое количество теплоты. В полезное излучение превращается лишь около 3% энергии электронов.

 

Гамма-лучи

По своим свойствам γ-лучи очень сильно напоминают рентгеновские, но только их проникающая способность гораздо больше, чем γ рентгеновских лучей. Это наводило на мысль, что γ-лучи представляют собой электромагнитные волны. Все сомнения в этом отпали после того, как была обнаружена дифракция γ-лучей на кристаллах и измерена их длина волны. Она оказалась очень малой — от 10-8 до 10-11 см. На шкале электромагнитных волн γ-лучи следуют непосредственно за рентгеновскими. Скорость распространения γ-лучей такая же, как у всех электромагнитных волн, — около 300 000 км/с.

 Задание:

1. Составить конспект и ответить на вопросы

Тест. Рентгеновские лучи. Гамма-излучение

Вопрос 1

Рентгеновское излучение на шкале ЭМИ занимает диапазон между

Варианты ответов

• ультрафиолетовым излучением и гамма-лучами
• видимым и ультрафиолетовым излучениями
• видимым и инфракрасным излучениями
• низкочастотным и радио-излучениями

Вопрос 2

Х-лучи были открыты

Варианты ответов

• В. Рентгеном
• П. Виллардом
• А. Беккерелем
• Э. Резерфордом

Вопрос 3

Для обнаружения явления дифракции рентгеновского излучения необходимо использовать

Варианты ответов

• кристаллы
• узкую щель в свинцовой пластине
• круглое отверстие в свинцовой пластине
• дифракцию рентгеновских лучей обнаружить нельзя, т.к. они не являются электромагнитной волной

Вопрос 4

Электровакуумный прибор, предназначенный для генерации рентгеновского излучения, называется

Варианты ответов

• рентгеновской трубкой
• искровым разрядником
• коллайдером
• электронно-лучевой трубкой

Вопрос 5

Первым ученым-физиком, кто получил Нобелевскую премию, стал

Варианты ответов

• В. Рентген
• П. Виллард
• М. Лауэ
• Э. Резерфорд

Вопрос 6

Электромагнитного излучения с чрезвычайно малой длиной волны и, вследствие этого, ярко выраженными корпускулярными и слабо выраженными волновыми свойствами, называется

Варианты ответов

• рентгеновским излучением
• гамма-излучением
• ультрафиолетовым излучением
• Х излучением

Вопрос 7

Что представляет собой гамма-излучение?

Варианты ответов

• поток гамма-квантов
• поток быстрых электронов
• поток медленных электронов
• поток нейтронов

 

УРОК №63-64

25-26.04 .2023. ГРУППА 406. ФИЗИКА. ТЕМА «ИНФРАКРАСНОЕ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ»

Ранее рассматривалась шкала электромагнитных волн. Условно все виды электромагнитных волн делятся на 7 основных диапазонов — это низкочастотные излучения, радиоизлучения, инфракрасные лучи, видимый свет, ультрафиолетовые лучи, рентгеновские лучи и гамма-излучение.

Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и микроволновым радиоизлучением.

Оно было открыто в 1800 году английским астрономом Уильямом Гершелем.

Занимаясь изучением Солнца, он искал способы, чтобы уменьшить нагревание инструмента используемого для наблюдения. Для этого Гершель разложил солнечный свет в спектр. После этого, он помещал край термометр, у которого нижняя часть резервуара с ртутью была затемнена сажей, в различные участки спектра. Какого же было его удивление, когда он обнаружил, что максимум тепла находится за насыщенным красным цветом. Обнаружив это повышение температуры, Гершель пришел к выводу о том, что в этом месте нагревание термометра происходит под действием каких-то невидимых лучей.

Изначально эти лучи из-за их повышенной способности нагревать тела, были названы тепловыми, а затем (уже учитывая их расположение в спектре) — инфракрасными. Также было доказано, что излучение из этой области подчиняется законам оптики, а, следовательно, имеет туже природу, что и видимый свет.

В настоящее время весь диапазон инфракрасного излучения делится на три составляющих. Это:

– коротковолновая область, с длиной волны от 0,74 до 2,5 мкм;

– средневолновая область, с длиной волны от 2,5 до 50 мкм;

– длинноволновая область, длина волны в которой

 

Ближнее инфракрасное излучение очень похоже на видимый свет. В среднем инфракрасном диапазоне светится вся наша планета и все предметы на ней, даже лед.  Длинноволновую окраину инфракрасного диапазона излучений иногда выделяют в отдельный диапазон электромагнитных волн — терагерцевое (или субмиллиметровое) излучение. Это излучение открыла советский физик Александра Андреевна Глаголева-Аркадьева спустя 123 года после открытия Гершелем инфракрасного излучения, тем самым показав, что инфракрасные лучи — это лишь разновидность обычных электромагнитных волн.

Известно, что инфракрасное излучение также называют тепловым излучением, так как данный вид излучения, испускаемый нагретыми телами, воспринимается кожей человека как ощущение тепла. При этом стоит обратить внимание на то, что чем выше температура источника инфракрасного излучения, тем короче длина волны и выше интенсивность излучения.

Самый известный источник инфракрасного излучения – это Солнце. Без него

не зародилась бы жизнь и не продолжалась бы сейчас. Передача энергии Солнцем через огромное пространство космоса происходит практически без потерь на нагревание пространства. Поэтому происходит нагревание непосредственно земной поверхности, на которую и попадают лучи Солнца. А затем уже и другие предметы, нагретые Солнцем, нагревают воздух. А вообще, любое тело, которое нагрето до определённой температуры, излучает тепловую энергию в инфракрасном  диапазоне спектра электромагнитных волн и, следовательно, может передавать эту энергию посредством лучистого теплообмена другим телам.

Теперь же инфракрасные приборы окружают нас повсюду в нашей повседневной жизни. Почти у каждого человека дома есть телевизор, и он оснащён дистанционным пультом, работающем в инфракрасном диапазоне.

Инфракрасные диоды и фотодиоды повсеместно применяются в охранных системах и системах автоматики, так как они не отвлекают внимание человека ввиду своей невидимости.

Инфракрасные излучатели применяют для сушки ягод и овощей.

Его используют в изготовлении инфракрасных фотографий, в приборах ночного видения, мобильных телефонах, в системах самонаведения снарядов на цель.

 

Самый известный на Руси искусственный источник инфракрасного излучения- это русская печь. Именно инфракрасное излучение чувствуем

От нагретой печи и батарей центрального отопления.

Помимо прочего, инфракрасный диапазон – это самый интересный диапазон для астрономов.

Ведь в нём светится вся космическая пыль, которая важна для образования звёзд и эволюции галактик. Самое значимое открытие в инфракрасной области сделал телескоп Хаббл в 1995 году.

    После обнаружения инфракрасного излучения немецкий физик Иоганн Вильгельм Риттер задался целью найти нечто похожее и на противоположном конце спектра с длиной волны меньшей, чем у фиолетового света. И уже в 1801 его успехи увенчались успехом. Он открыл новый диапазон – ультрафиолетовый.

  В настоящее время выделяют 4 типа ультрафиолетового излучения: ближний, средний, дальний и экстремальный.

Ближний ультрафиолетовый диапазон еще называют «черным светом» потому, что он не распознается человеческим глазом. Однако его можно обнаружить при отражении от некоторых объектов, так как он вызывает явление фотолюминесценции.

А вот для дальнего и экстремального диапазона часто используется термин «вакуумный», так как волны этого диапазона сильно поглощаются атмосферой Земли.

Основным источником ультрафиолетового излучения на Земле, как и в случае с инфракрасным излучением, является Солнце. Также естественными источниками ультрафиолетового излучения являются звезды и другие космические объекты.

Из искусственных источников ультрафиолетового излучения, можно выделить ртутно-кварцевые лампы, люминесцентные лампы дневного света, эксилампы, светодиоды и лазерные источники.

Сфера применения ультрафиолетового излучения в современном мире достаточно обширна. Например, для защиты документов и банкнот различных стран, их снабжают специальными ультрафиолетовыми метками, которые видны только в ультрафиолетовом свете.

Ультрафиолетовые лампы используются для дезинфекции воды, воздуха, помещений больниц и метро, а также различных поверхностей во всех сферах жизнедеятельности человека. Многие минералы содержат вещества, способные светится под действием ультрафиолетового излучения, что позволяет использовать его для определения состава минералов.

Нередко данный вид излучения применяется и для ловли насекомых. Это связано в первую очередь с тем, что у большинства насекомых видимый диапазон смещен в коротковолновую область спектра. Поэтому насекомые не видят то, что человек воспринимает как красный цвет, зато прекрасно видят мягкое ультрафиолетовое излучение.

Стоит также отметить, что ультрафиолетовое излучение, наряду с инфракрасным, является одним из главных инструментов экспертов и реставраторов произведений искусств. Так, например, более свежий лак на картине в ультрафиолетовом свете выглядит темнее. Темнее выглядят и отреставрированные участки, и кустарные подписи.

Основные выводы:

– Инфракрасное излучение — это электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и микроволновым радиоизлучением.

– Весь диапазон инфракрасного излучения делится на три основных составляющих — это коротковолновая, средневолновая и длинноволновая области.

– Ультрафиолетовое излучение — это электромагнитное излучение, занимающее спектральный диапазон между видимым и рентгеновским излучениями.

– Ультрафиолетовое излучение делят на подгруппы — это ближний, средний, дальний и экстремальный ультрафиолет.

– Инфракрасное и ультрафиолетовое, имеют обширные области применения в современном мире.

Задание:

1. Составить конспект.

2. Тест. Инфракрасное и ультрафиолетовое излучение

Вопрос 1

Электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между красным концом видимого света и микроволновым радиоизлучением, называется

Варианты ответов

инфракрасное излучение

ультрафиолетовое излучение

рентгеновское излучение

видимый свет

Вопрос 2

Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году

Варианты ответов

Иоганном Риттером

Уильямом Гершелем

Робертом Гуком

Томасом Юнгом

Вопрос 3

Инфракрасное излучение иногда называют

Варианты ответов

тепловым излучением, из-за их повышенной способности нагревать тела

холодным излучением, так как под его действием тела охлаждаются

бактерицидным, из-за их повышенной способности убивать бактерии

Х-лучами

Вопрос 4

Инфракрасное излучения излучают(-ет)

Варианты ответов

все тела

только тела с высокой температурой

только тела с относительно низкой температурой

только Солнце

Вопрос 5

В инфракрасном излучении принято выделять

Варианты ответов

коротковолновую и длинноволновую области

коротковолновую и средневолновую области

длинноволновую и средневолновую области

коротковолновую, средневолновую и длинноволновую области

Вопрос 6

Ультрафиолетовое излучение было открыто в 1801 году

Варианты ответов

Иоганном Риттером

Уильямом Гершелем

Томасом Юнгом

Робертом Гуком

Вопрос 7

ЭМИ, занимающее диапазон между видимым и рентгеновским излучениями, называется

Варианты ответов

ультрафиолетовым

инфракрасным

Х-излучением

микроволновым

Вопрос 8

Какие типы выделяют в ультрафиолетовом излучении?

Варианты ответов

ближний и средний

ближний, средний и дальний

ближний, средний, дальний и экстремальный

ближний, дальний и экстремальный

Вопрос 9

Основное применение ультрафиолетового излучения связано с его

Варианты ответов

бактерицидным действием

способностью вызывать свечение

высокой химической активностью

все перечисленное

Вопрос 10

К естественным источникам излучения можно отнести

Варианты ответов

Солнце и звезды

лампы дневного света

кварцевую лампу

эксилампы и светодиоды

УРОК №62 

21.04.2023г. ГРУППА 406.  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 № 61

21.04.2023г. ГРУППА 406.  ТЕМА «Виды излучений. Источники света» «Физика - 11 класс».

  Свет- это поток электромагнитных волн с длиной волны 4 • 10^-7—8 •10^-7 м . Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов, из которых состоит вещество. Но, не зная, как устроен атом, ничего достоверного о механизме излучения сказать нельзя. Ясно лишь, что внутри атома нет света так же, как в струне рояля нет звука. Подобно струне, начинающей звучать только после удара молоточка, атомы могут «рождать» свет только после их возбуждения. Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Тепловое излучение

 Наиболее простой и распространенный вид излучения — это тепловое излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Тепловое излучение — это излучение нагретых тел. Чем выше температура тела, тем быстрее движутся в нем атомы. При столкновении быстрых атомов (или молекул) друг с другом часть их кинетической энергии идет на возбуждение атомов, которые затем излучают свет и переходят в невозбужденное состояние.

Тепловыми источниками излучения являются, например, Солнце и обычная лампа накаливания. Лампа - это малоэкономичный источник света, т.к. только 12% выделяемой лампой энергии преобразуется в энергию света. Тепловым источником света является также пламя, где крупинки сажи (не успевшие сгореть частицы топлива) раскаляются за счет энергии, выделяющейся при сгорании топлива, и испускают свет.

 Электролюминесценция.

 Энергия, необходимая атомам для излучения света, может поступать и из нетепловых источников. При разряде в газах электрическое поле сообщает электронам большую кинетическую энергию. Быстрые электроны испытывают неупругие соударения с атомами. Часть кинетической энергии электронов идет на возбуждение атомов. Возбужденные атомы отдают энергию в виде световых волн. В результате этого разряд в газе сопровождается свечением, это и есть электролюминесценция. Северное сияние — тоже проявление электролюминесценции. Потоки заряженных частиц, испускаемых Солнцем, захватываются магнитным полем Земли. Они возбуждают у магнитных полюсов Земли атомы верхних слоев атмосферы, из-за чего эти слои светятся. Явление электролюминесценции используется в трубках для рекламных надписей.

 Катодолюминесценция.    Свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами, называют катодолюминесценцией. Благодаря катодолюминесценции светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизора.

 Хемилюминесценция.   При некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии, часть этой энергии непосредственно расходуется на излучение света. Источник света остается холодным (он имеет температуру окружающей среды). Это явление называется хемилюминесценцией. Летом в лесу можно ночью увидеть насекомое — светлячка, на теле которого «горит» маленький зеленый «фонарик». Светящееся пятнышко на его спинке имеет почти ту же температуру, что и окружающий воздух. Свойством светиться обладают и кусочки гниющего дерева, и живые организмы: бактерии, насекомые, многие рыбы, обитающие на большой глубине.

 

Фотолюминесценция.  Падающий на вещество свет частично отражается и частично поглощается. Энергия поглощаемого света в большинстве случаев вызывает лишь нагревание тел. Однако некоторые тела сами начинают светиться непосредственно под действием падающего на них излучения. Это и есть фотолюминесценция. Свет возбуждает атомы вещества (увеличивает их внутреннюю энергию), и после этого они высвечиваются сами. Например, светящиеся краски, которыми покрывают елочные игрушки, излучают свет после их облучения. Излучаемый при фотолюминесценции свет имеет, как правило, большую длину волны, чем свет, возбуждающий свечение. Это можно наблюдать экспериментально, наприер, если направить на сосуд с флюоресцеином  (органический краситель) световой пучок, пропущенный через фиолетовый светофильтр. Жидкость начинает светиться зелено-желтым светом, т. е. светом с большей длиной волны, чем у фиолетового света. Явление фотолюминесценции широко используется в лампах дневного света. Советский физик С. И. Вавилов предложил покрывать внутреннюю поверхность разрядной трубки веществами, способными ярко светиться под действием коротковолнового излучения газового разряда.

При столкновении быстрых атомов (или молекул) друг с другом часть их кинетической энергии превращается в энергию возбуждения атомов, которые затем излучают свет (Солнце, лампа накаливания, пламя и др.)

1.Для излучения радиоволн нужны огромные антенны, рентгеновские лучи испускаются атомами, а γ-лучи — ядрами атомов. Почему электромагнитные волны самых высоких частот генерируются самыми маленькими системами? (Чем выше частота, тем короче длина волны, и, следовательно, меньше размер системы, генерирующей излучение.)

2.Когда чайник создает большее излучение: когда в нем кипяток или когда в нем вода комнатной температуры? (Кипяток.)

3.Почему в холодную погоду многие животные спят, свернувшись в клубок? (Минимальная площадь поверхности с заданными размерами у тела есть сфера, следовательно, животные стараются принять форму клубка, чтобы терять как можно меньше тепла. )

 4.В комнате стоят два одинаковых алюминиевых чайника, содержащие равные массы воды при 90 °С. Один из них закоптился и стал черным. Какой из чайников быстрее остынет? Почему? (Черный остынет быстрее, так как черное тело излучает больше тепла, нежели другое за то же время.) 

5.Двое в столовой взяли на третье чай, Первый сразу долил в стакан сливки, а другой сначала съел первое и второе, а затем долил сливки в чай. Кто будет пить более горячий чай? (Первый.)

6.Нагревая кусок стали, мы при температуре 800 °С будем наблюдать яркое вишнево-красное каление, но прозрачный стерженек плавленого кварца при той же температуре совсем не светится Объясните этот эффект. (Прозрачное тело не излучает)

7. Почему мел выглядит среди раскаленных углей темным? Угли излучают тепло гораздо интенсивнее, нежели мел.

8.На светлом фоне керамического изделия сделан темный рисунок. Если это изделие поместить в печь с высокой температурой, то виден светлый рисунок на темном фоне. Почему? Так как рисунок черный, то он излучает сильнее, чем светлое керамическое изделие. 

9. К какому виду излучения (тепловому или люминесцентному) относится свечение: а) раскаленной отливки металла; б) лампы дневного света; в) звезд; г) некоторых глубоководных рыб? а), в) - тепловое излучение; б), г) - люминесцентное излучение. 

10. Чем вызвана и к какому виду относится люминесценция в следующих случаях: а) свечение экрана телевизора; б) свечение газа в рекламных трубках; в) свечение стрелки компаса; г) свечение планктона в море? а) Бомбардировка экрана электронами - катода люминесценция. б) Ионизация газа.
в) Фотолюминесценция. г) Хемилюминесценция (за счет химических реакций). 

11.Для чего металлизируют (покрывают прочным слоем фольги) спецодежду сталеваров, мартенщиков, прокатчиков и др.? Чтобы тело человека не перегревалось.

12. Почему не следует смотреть на пламя, возникающее при электросварке? Почему темное стекло предохраняет глаза сварщика от вредного действия пламени? Ультрафиолетовое излучение, возникающее при сварке, вредно для глаз. Темное стекло не пропускает ультрафиолет и поглощает часть излучения, делая его для глаза менее ярким. 

ЗАДАНИЕ.  ОТВЕТЬТЕ НА ВОПРОСЫ .

 1. За счёт чего происходит тепловое излучение?

2. Назовите источники теплового излучения.

3. Приведите примеры электролюминесценции.

4. Что такое катодолюминесценция? Где применяется?

5. Какое излучение является холодным? Источники этого излучения?

6. Как называется излучение, которое вызывает свечение тел? Где оно используется?

7.  Какой советский учёный внёс свой вклад в использование ламп дневного света?

 

УРОК № 60

14.04.2023г. ФИЗИКА.

Лабораторная работа № 5

Тема: Исследование явлений интерференции и дифракции света

Цель работы: изучить характерные особенности интерференции и дифракции света.

Оборудование: спички, спиртовка, комочек ваты на проволоке в пробирке, смоченной раствором хлорида натрия, проволочное кольцо с ручкой, стакан с раствором мыла, трубка стеклянная, пластинки стеклянные -2 шт., CD-диск, штангенциркуль, лампа с прямой нитью накаливания, капроновая ткань черного цвета.

Ход работы

1. Самостоятельно изучили методическое указание по выполнению лабораторной работы.

2. Выполнили опыты по наблюдению интерференции света.

Опыт 1: Опустили проволочное кольцо в мыльный раствор. На проволочном кольце получается мыльная плёнка. Освещаем мыльную пленку белым светом (от лампы). Наблюдаем окрашенность светлых полос в спектральные цвета: вверху – синий, внизу – красный.

Объяснение. Такое окрашивание объясняется зависимостью положения светлых полос от длины волн падающего цвета.

Наблюдаем также, что полосы, расширяясь и сохраняя свою форму, перемещаются вниз.

Объяснение. Это объясняется уменьшением толщины пленки, так как мыльный раствор стекает вниз под действием силы тяжести.

Опыт 2: С помощью стеклянной трубки выдули мыльный пузырь и рассмотрели его. При освещении его белым светом наблюдаем образование цветных интерференционных колец, окрашенных в спектральные цвета. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. По мере уменьшения толщины пленки кольца, также расширяясь, медленно перемещаются вниз.

3. Выполнили опыт по наблюдению дифракции света:

Рассмотрели под разными углами поверхность компакт-диска (на которую производится запись).

Объяснение: Яркость дифракционных спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок и от величины угла падения лучей. Почти параллельные лучи, падающие от нити лампы, отражаются от соседних выпуклостей между бороздками. Лучи, отраженные под углом равным углу падения, образуют изображение нити лампы в виде белой линии. Лучи, отраженные под иными углами имеют некоторую разность хода, вследствие чего происходит сложение волн.

Вывод: изучили характерные особенности интерференции и дифракции света.

Контрольные вопросы:

1.     Что такое свет?

2.     Кем было доказано, что свет – это электромагнитная волна?

3.     Что называют интерференцией света? Каковы условия максимума и минимума при интерференции?

4.     Могут ли интерферировать световые волны идущие от двух электрических ламп накаливания? Почему?

5.     Что называют дифракцией света?

6.      Зависит ли положение главных дифракционных максимумов от числа щелей решетки?

 

УРОК № 58-59

07-14.04..2023г. ГРУППА 406. 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 №57

07.04.2023г. ГРУППА 406. ФИЗИКА. ТЕМА «ДИСПЕРСИЯ СВЕТА»

Кога 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 № 56

31.03.2023г. ГРУППА. 406. ФИЗИКА. ТЕМА «РЕШЕНИЕ  ЗАДАЧ»

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

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 лин

УРОК № 54-55

 24.03.2023г. ГРУППА  406.  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 № 52-53

 17.03.2023г. ГРУППА 406. ФИЗИКА, ТЕМА  «Скорость света. ЗАКОНЫ ОТРАЖЕНИЯ И ПРЕЛОМЛЕНИЯ»

Геометрическая оптика – раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах на основе представления о нем как о совокупности световых лучей.

Световой луч – это линия, указывающая, в каком направлении свет переносит энергию.

В соответствии с двумя способами передачи энергии от источника к приёмнику в XVII в. возникли две противоречащие друг другу теории света: а) корпускулярная теория света Ньютона;

б) волновая теория света Гюйгенса.

С установлением электромагнитной природы света в XIX в. и обнаружением квантовых свойств света в начале XX в. и волновая, и корпускулярная теории света одержали победу. Выяснилось, что свет имеет двойственную природу. Астрономическим и лабораторным методами измерена скорость света в вакууме. По современным вычислениям скорость света равна 299 792 458 м/с или приближенно 300000000 м/с или 3∙ 10⁸ м/с .

Скорость распространения света в веществе всегда меньше, чем в вакууме.

В основе геометрической оптики лежат четыре закона:

 закон прямолинейного распространения света;

закон независимости световых лучей;

закон отражения света;

закон преломления света.

 С помощью принципа Гюйгенса можно вывести и объяснить законы распространения света.

Плоская поверхность, зеркально отражающая свет, называется плоским зеркалом.

Свойства плоского зеркала:

изображение предмета мнимое;

изображение симметричное предмету относительно зеркала;

размеры изображения равны размерам предмета.

При падении света на плоскую границу раздела, часть светового потока частично отражается, а часть преломляется.

Законы преломления: 1. Падающий луч, преломлённый луч и нормаль к границе раздела двух сред в точке падения луча лежат в одной плоскости.

 2. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β – величина постоянная для данных сред и равная относительному показателю преломления второй среды относительно первой:

где n – относительный показатель преломления второй среды относительно первой; n₁ и n₂ - абсолютные показатели преломления первой и второй сред.

Абсолютный показатель преломления среды n – это физическая величина, показывающая, во сколько раз скорость света c в вакууме больше, чем в среде 𝛖:

Относительный показатель преломления второй среды относительно первой n₂₁ – величина, показывающая во сколько скорость 𝛖₁ распространения света в первой среде больше (меньше; равна) скорости 𝛖₂ распространения света во второй:

Полное отражение – это явление отражения света, падающего из оптически более плотной среды на границу с оптически менее плотной средой под углом падения, большим некоторого предельного угла α_0.

Предельный угол полного отражения α₀ - угол падения луча, при котором преломлённый луч скользит вдоль границы раздела двух сред

Разбор тренировочного типового задания:

1. Вставьте в текст слова из выпадающего списка: «Свет при взаимодействии с веществом испытывает __________, преломление и ___________. Скорость света _______ и измерена».

Варианты ответов: отражение, тяготение, поглощение, конечна, бесконечна, переменная.

.2. Решите задачу и зачеркните неверные ответы. Найти показатель преломления рубина, если предельный угол полного отражения для рубина равен 34⁰.

Варианты ответов:

0,18;

1,8;

34;

3,4

Правильный вариант: 0,18; 34; 3,4

Решение:

Предельный угол полного отражения: α₀ = 34⁰;

Угол преломления – 90⁰ (sin 90⁰ = 1);

Вторая среда – воздух ( n = 1)

Предельный угол на границе рубин – воздух равен:

Отсюда показатель преломления рубина равен:

Ответ: n = 1,8.

ЗАДАНИЕ: 

ВЫПОЛНИТЬ ТЕСТ

 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

 

опрос 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° 25

7

255°

20°°

УРОК №51

17.03.2023г. ГРУППА  406. ФИЗИКА. КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА ПО ТЕМЕ «МЕХАНИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ»

Вариант № 1

1. Определите длину звуковой волны человеческого голоса высотой тона 680 Гц. (Скорость звука равна 340 м/с.)

2. В каком диапазоне длин волн может работать приемник, если емкость конденсатора в его колебательном контуре плавно изменяется от 50 до 500 пФ, а индуктивность катушки постоянна и равна 2 мкГн?

3. Колебательный контур радиоприемника содержит конденсатор, емкость которого 10 нФ. Какой должна быть индуктивность контура, чтобы обеспечить прием волны длиной 300 м? Скорость распространения электромагнитных волн с=300000000 м/с.

4.Человек, стоящий на берегу моря, определил, что расстояние между следующими друг за другом гребнями волн равно 8 м. Кроме того, он подсчитал, что за 1 мин мимо него прошло 24 волновых гребня. Определите скорость распространения волны.

5. Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 30 м в течение одного периода звуковых колебаний с частотой 200 Гц?

6. Радиостанция работает на частоте 60 МГц. Найдите длину электромагнитных волн, излучаемых антенной радиостанции. Скорость распространения электромагнитных волн с=300000000 м/с.

Вариант № 2

1. Человек, стоящий на берегу моря, определил, что расстояние между следующими друг за другом гребнями волн равно 4 м. Кроме того, он подсчитал, что за 1 мин мимо него прошло 48 волновых гребня. Определите скорость распространения волны.

2. Сколько колебаний происходит в электромагнитной волне с длиной волны 10 м в течение одного периода звуковых колебаний с частотой 500 Гц?

3. Приемник работать в диапазоне длин волн от 10 м до 100 м, индуктивность катушки постоянна и равна 3 мкГн. В каком диапазоне изменяется емкость конденсатора в его колебательном контуре?

4.Лодка качается в море на волнах, которые распространяются со скоростью 2 м/с. Расстояние между двумя ближайшими гребнями волн 6 м. Какова частота ударов волн о корпус лодки?

5. Длина волны равна 5 м, скорость распространения волны 10 м/с. Чему равен период колебаний частиц в волне?

6. Найдите длину звуковой волны частотой 440 Гц в воздухе и воде. Что происходит с волной при переходе из воздуха в воду? (Скорость звука в воздухе и воде соответственно равна равной 340 м/с и 143

УРОК №50 

10.03.2023г. ГРУППА 406. 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 №49

10.03..2023 г. ГРУППА 406. 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 №48

 21.02.2023г. ГРУППА  406. 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 № 47

Г)   21  .02.2023г. ГРУППА 406. 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 №46

14.02.2023г. ГРУППА 406.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 №45

14.02.2023г. Группа 406. 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?

УРОК №43-44 

 07.02.2023. ГРУППА 406.  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 №42

31.01.2023. ГРУППА 406.  Контрольная работа №3 «Механические и электромагнитные колебания »

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 № 41

31.01.2023 г. ГРУППА 406.  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 №40

24 .01.2023г. ГРУППА  406. 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 №39

24.01.2023г. ГРУППА 406. 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 №38

17.01. 2023г. ГРУППА 406. 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 №37

   28.12.2022г ГРУППА 406. 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 №

28.12.2022г. ГРУППА 406. ФИЗИКА. ТЕМА. «УРАВНЕНИЯ, ОПИСЫВАЮЩИЕ ПРОЦЕССЫ В КОЛЕБАТЕЛЬНОМ КОНТУРЕ. ПЕРИОД СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ»

На прошлых уроках мы выяснили, что электромагнитные колебания, во-первых, являются свободными, во-вторых, представляют собой периодическое изменение энергий магнитного и электрического полей. Но кроме энергии при электромагнитных колебаниях меняется еще и заряд, а значит и сила тока в контуре и напряжение. На этом уроке мы должны выяснить законы, по которым меняются заряд, а значит сила тока и напряжение.

Итак, мы выяснили, что полная энергия колебательного контура, в любой момент времени, равна сумме энергий магнитного и электрического полей: .

Рассмотрим электрический заряд. Электрический заряд, а значит и сила тока, при свободных колебаниях меняются с течением времени по закону косинуса или синуса, т. е. совершают гармонические колебания.

Чтобы найти явную зависимость заряда, силы тока и напряжения от времени, учитывая гармонический характер изменения этих величин, необходимо решить уравнение. В качестве решения необходимо взять выражение вида

q=q_m cos ω_ot,

где q_m – амплитуда колебаний заряда (модуль наибольшего значения колеблющейся величины), ω_o = 2π/Т- циклическая или круговая частота. Ее физический смысл – число колебаний за один период, т. е. за 2π/ Т; с.

Период электромагнитных колебаний – промежуток времени, в течение которого ток в колебательном контуре и напряжение на пластинах конденсатора совершает одно полное колебание. Для гармонических колебаний Т=2π с (наименьший период косинуса).

Частота колебаний – число колебаний в единицу времени – определяется так: ν = .

Частоту свободных колебаний называют собственной частотой колебательной системы. Так как ω_o= 2π ν=2π/Т,    то Т= 2π / ω_o
 

Циклическую частоту мы определили как ω_o = , значит для периода можно записать

        - формула Томсона для периода электромагнитных колебаний.

Тогда выражение для собственной частоты колебаний примет вид

ω_o = .

Нам осталось получить уравнения колебаний силы тока в цепи и напряжения на конденсаторе.

при    q = q_m cos ω_o t       получим U=U_mcosω_ot.

Значит, напряжение тоже меняется по гармоническому закону. Найдем теперь закон, по которому меняется сила тока в цепи.

По определению ,        но q=q_m cos ωt, поэтому

I = I_m (cos ω_o t – π/2 )

где π/2 – сдвиг фаз между силой тока и зарядом (напряжением). Итак, мы выяснили, что сила тока при электромагнитных колебаниях тоже меняется по гармоническому закону.

(Посмотрим на рисунок учебника, там вы видите графики зависимости заряда и напряжения на конденсаторе и силы тока в цепи от времени. На графиках хорошо видно, что сила тока сдвинута относительно заряда на π/2).

Мы рассматривали идеальный колебательный контур, в котором нет потерь энергии и свободные колебания могут продолжаться бесконечно долго за счет энергии, однажды полученной от внешнего источника. В реальном контуре часть энергии идет на нагревание соединительных проводов и нагревание катушки. Поэтому свободные колебания в колебательном контуре являются затухающими

 

Самостоятельное решение задач.

1.Пластины плоского конденсатора, включенного в колебательный контур, сближают. Как будет меняться при этом частота колебаний контура?

2.Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью С=444 пФ и катушка индуктивностью L=4 мГн. На какую частоту настроен контур?

3.Как изменится период и частота колебаний в контуре, если индуктивность увеличить в 4 раза, а емкость – в 16 раз?

 

УРОК №34

22 .12.2022. ГРУППА 406.  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 № 33   

22.12.2022г. ГРУППА 406. 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 № 32 

 15.12.2022г. ГРУППА  406. 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 №31

15 .12.2022г.  ГРУППА 406. 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%

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 №30

 08.12.2022г.        ГРУППА  406. ФИЗИКА   Тема «Свободные колебания» (математический и пружинный маятники)

Свободные колебания – колебания, которые совершает тело под действием внутренних сил системы за счет начального запаса энергии после того как его вывели из положения устойчивого равновесия.

Условия возникновения свободных колебаний:

при выведении тела из положения равновесия должна возникнуть сила, стремящаяся вернуть его в положение равновесия;

силы трения в системе должны быть достаточно малы. При наличии сил трения свободные колебания будут затухающими.

При наличии сил трения свободные колебания будут затухающими.
Затухающие колебания – это колебания, амплитуда которых с течением времени уменьшается.

Математический маятник – это материальная точка, подвешенная на невесомой нерастяжимой нити.

Период колебаний математического маятника:

Частота колебаний мате
матического маятника:

Циклическая частота колебаний математического маятника:

Максимальное значение скорости колебаний математического маятника:

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

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

Мгновенное значение потенциальной энергии математического маятника, поднявшегося на высоту в процессе колебания рассчитывается 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  №28-29

   01.12.2022г. ГРУППА  406. 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.

     -         

УРОК № 27

01 .12.2022г. ГРУППА 406.  ФИЗИКА.       Контрольная работа по теме  «ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ»

Чтобы выполнить эту контрольную работу , вам необходимо повторить вопросы и выписать основные формулы:

1.Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Направление вектора магнитной индукции.

2.Действие магнитного поля на проводник с током. Сила Ампера. Правило левой руки.

3. Действие магнитного поля на заряженную частицу. Сила Лоренца.

4 Электромагнитная индукция. Магнитный поток.

5. Правило Ленца. Закон электромагнитной индукции.

6. Явление самоиндукции. Индуктивность. ЭДС самоиндукции.

ЛИТЕРАТУРА: учебник  «ФИЗИКА 11» авторы:  Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, В.М. Чаругин; параграфы  1 – 11, стр. 5 – 49.

ВАРИАНТ 1.

1. Магнитное поле может создаваться:

А) неподвижной частицей;  б) неподвижной наэлектризованной палочкой

В) проводом, по которому течёт ток; г)движущейся нейтральной частицей

2.Изолированный провод намотали на железный стержень и пропустили по нему ток. Это устройство можно использовать как:

А) электродвигатель     б) электроскоп    в) электромагнит   г) электромагнитное реле.

3. Постоянный магнит может притягивать:

А) медные опилки;  б) маленькие кусочки бумаги; в)железные опилки; г) древесные стружки

4. Параллельные проводники, у которых направление электрического тока одинаково:

А) притягиваются друг к другу;  б) отталкиваются друг от друга, в) разворачиваются друг относительно друга на 90⁰; г)  разворачиваются друг относительно друга на 180⁰.

5. В замкнутом контуре возникает ЭДС индукции, если:

А) контур находится в постоянном магнитном поле

Б) по контуру протекает постоянный электрический ток

В) контур находится в постоянном  электрическом поле

Г) изменяется магнитный поток через площадь контура.

6.Какя из формул является записью закона электромагнитной индукции?

 

А) E_i  = - ∆Ф /   ∆  t ;         б)     Ф =  BS           ;    в)    E_i   =-  A_ст. / q ;         г)  E_i = I (R +r)

 7.  Электрон движется перпендикулярно линиям индукции магнитного поля со скоростью 100 км/с.  Чему равна сила Лоренца, действующая на электрон, если индукция поля 200 мТл? (заряд электрона –q =1,6∙ 10^-19 Кл)

 8.Прямой проводник расположен в однородном магнитном поле с индукцией 0,2 Тл перпендикулярно линиям индукции. С какой силой действует поле на проводник, если его длина равна 5 см, а сила тока в нём равна 4 А?

 

9.Линии магнитной индукции однородного магнитного поля образуют угол 60⁰  с вертикалью. Найдите магнитный поток через горизонтальную квадратную проволочную рамку со стороной 5 см, если модуль вектора магнитной индукции равен 60 мТл.

 10. Установите соответствие «вид поля – объекты, вызывающие в данной системе отсчёта возникновение поля».

А) Магнитное поле                                      1. Все заряженные частицы

Б)  Вихревое электрическое поле            2. Неподвижные заряженные частицы

В)  Электростатическое поле                     3. Изменяющееся магнитное поле

                                                                           4. Движущиеся заряженные частицы

Задача.

Электрическое сопротивление катушки  R равно  0,5 Ом, индукционный ток, возникший в катушке при изменении напряжения источника тока  I =140 мкА. Катушка содержит 20 витков провода. Определите скорость изменения магнитного потока через каждый из витков катушки.

УРОК № 26

24.11.2022г. ГРУППА 406. Решение задач по теме «Электромагнитное поле»

Данная тема посвящена решению задач на «Электромагнитное поле».

Прежде чем приступить непосредственно к решению, вспомним основные термины и понятия, которые могут пригодиться при решении задач на данную тему.

Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся электрические заряды.

Для наглядного представления магнитного поля пользуются магнитными линиями. Магнитные линии — это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле.

Замкнутость линий магнитного поля представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля. Оно свидетельствует о том, что магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет.

За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку. Направление линий магнитного поля будет зависеть от направления тока в проводнике.

Эта связь может быть выражена с помощью правила буравчика (или правила правого винта): если поворачивать головку винта так, чтобы поступательное движение острия винта происходило вдоль тока в проводнике, то направление вращения головки указывает направление линий магнитного поля тока.

Для определения направления линий магнитного поля соленоида удобнее пользоваться правилом правой руки: если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

Известно, что магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле. Направление этой силы можно определить с помощью правила левой руки: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре вытянутых пальца были направлены по току, то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы.

Магнитная индукция — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля, численно равная отношению модуля силы, с которой магнитное поле действует на расположенный перпендикулярно магнитным линиям проводник с током, к силе тока в проводнике и его длине.

Единицей измерения магнитной индукции в системе СИ является Тл (тесла).

Электромагнитное поле — это совокупность неразрывно связанных друг с другом изменяющихся электрического и магнитного полей.

Электромагнитная волна — это распространяющееся в пространстве периодически изменяющееся элек­тромагнитное поле.

Скорость распростране­ния электромагнитной волны в вакууме равна скорости света, а в среде эта скорость меньше и зависит от свойств среды.

Приступим, непосредственно, к решению задач.

Задача 1. В магнитное поле помещен проводник, по которому протекает электрический ток. Направление электрического тока перпендикулярно линии магнитной индукции. Длина проводника составляет 5 см. Сила, действующая на этот проводник со стороны магнитного поля, составляет 50 мН

 Сила тока — 25 А. Определите значение магнитной индукц

Ответ: 0,04 Тл.

Задача2. По указанному на рисунке графику определите максимальное амплитудное значение электрического напряжения, период колебаний этого напряжения и частоту колебаний напряжения.

Решение:

Амплитудное значение переменной величины, напряжение — это максимальное по модулю значение, в данном случае 150 Вольт.

Следующий этап: необходимо определить время, в течение которого это колебание полностью повторяется. Из графика видно, что периодом колебания является время 0,08 секунды. Чтобы определить частоту колебаний, можно воспользоваться формулой связи частоты и периода. Т.о. получаем, что частота колебаний составляет 12,5 Герц.

Задача 3. По рисунку определите направление силы Ампера, действующей на проводник с током.

Решение:

Известно, что в магнитном поле на проводник, по которому протекает электрический ток, действует сила Ампера.

Вспомним, что магнитная индукция всегда направлена от северного полюса к
  южному полюсу, вне магнита.

Применим правило левой руки. Располагая левую руку так, что четыре вытянутых пальца указывают направление электрического тока, а магнитная индукция входит в ладонь, мы понимаем, что отогнутый большой палец укажет направление силы Ампера.

Сила Ампера будет направлена перпендикулярно наблюдателю.

Ответ: Сила Ампера будет направлена перпендикулярно наблюдателю.

Задача 4. Частоту электромагнитной волны увеличили в 4 раза. Как при этом изменилась длина волны ?

Ответ: длина волны уменьшилась в 4 раза.

Задача 5. Солнце от Земли располагается на расстоянии приблизительно в 150 миллионов километров. За какое время свет от Солнца доходит до Земли?

Дано: t - ?	Решение  Ответ: 500 с.

РЕШИТЬ САМОСТОЯТЕЛЬНО

1. За 5 секунд магнитный поток, пронизывающий проволочную рамку, увеличился от 3 до 8 Вб. Чему равно при этом значение ЭДС индукции в рамке?

2. Прямолинейный проводник длиной 0,1 м, по которому идёт электрический ток, находится в однородном  магнитном поле индукцией 4 Тл и расположен под углом 60⁰ С и вектору магнитной индукции. Сила тока 3 А. Чему равна сила Ампера?

 

УРОК № 24- 26

21-24   .11.2022 ГРУППА 406.    ФИЗИКА.  ТЕМА  «САМОИНДУКЦИЯ. ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ»

       Основы электродинамики были заложены Ампером в 1820 году.  Работы Ампера вдохновили многих инженеров на конструирование различных технических устройств, таких как электродвигатель (конструктор Б.С. Якоби), телеграф (С. Морзе), электромагнит, конструированием которого занимался известный американский ученый Генри.  Джозеф Генри прославился благодаря созданию серии уникальных мощнейших электромагнитов с подъемной силой от 30 до 1500 кг при собственной массе магнита 10 кг. Создавая различные электромагниты, в 1832 году ученый открыл новое явление в электромагнетизме – явление самоиндукции.

 Генри изобретал плоские катушки из полосовой меди, с помощью которых добивался силовых эффектов, выраженных более ярко, чем при использовании проволочных соленоидов. Ученый заметил, что при нахождении в цепи мощной катушки ток в этой цепи достигает своего максимального значения гораздо медленнее, чем без катушки.

Опыт: На рисунке изображена электрическая схема экспериментальной установки, на основе которой можно продемонстрировать явление самоиндукции. Электрическая цепь состоит из двух параллельно соединенных лампочек, подключенных через ключ к источнику постоянного тока. Последовательно с одной из лампочек подключена катушка. После замыкания цепи видно, что лампочка, которая соединена последовательно с катушкой, загорается медленнее, чем вторая лампочка.

При отключении источника лампочка, подключенная последовательно с катушкой, гаснет медленнее, чем вторая лампочка.

Рассмотрим процессы, происходящие в данной цепи при замыкании и размыкании ключа.

1. Замыкание ключа.

В цепи находится токопроводящий виток. Пусть ток в этом витке течет против часовой стрелки. Тогда магнитное поле будет направлено вверх.

       

Таким образом виток оказывается в пространстве собственного магнитного поля. При возрастании тока виток окажется в пространстве изменяющегося магнитного поля собственного тока. Если ток возрастает, то созданный этим током магнитный поток также возрастает. Как известно, при возрастании магнитного потока, пронизывающего плоскость контура, в этом контуре возникает электродвижущая сила индукции и, как следствие, индукционный ток. По правилу Ленца этот ток будет направлен таким образом, чтобы своим магнитным полем препятствовать изменению магнитного потока, пронизывающго  плоскость контура.

То есть, для рассматриваемого на рисунке 4 витка индукционный ток должен быть направлен по часовой стрелке, тем самым препятствуя нарастанию собственного тока витка. Следовательно, при замыкании ключа ток в цепи возрастает не мгновенно, благодаря тому, что в этой цепи возникает тормозящий индукционный ток, направленный в противоположную сторону.

2. Размыкание ключа.

При размыкании ключа ток в цепи уменьшается, что приводит к уменьшению магнитного потока сквозь плоскость витка. Уменьшение магнитного потока приводит к появлению ЭДС индукции и индукционного тока. В этом случае индукционный ток направлен в ту же сторону, что и собственный ток витка. Это приводит к замедлению убывания собственного тока.

Вывод:  при изменении тока в проводнике возникает электромагнитная индукция в этом же проводнике, что порождает индукционный ток, направленный таким образом, чтобы препятствовать любому изменению собственного тока в проводнике. В этом заключается суть явления самоиндукции. Самоиндукция – это частный случай электромагнитной индукции.

Самоиндукция – это явление возникновения электромагнитной индукции в проводнике при изменении силы тока, протекающего сквозь этот проводник.

Индуктивность. Модуль вектора индукции В магнитного поля, создаваемого током, пропорционален силе тока. Так как магнитный поток Ф пропорционален В, то Ф ~ В~ I.

Можно, следовательно, утверждать, что

Ф = LI,    

где L — коэффициент пропорциональности между током в проводящем контуре и магнитным потоком.

Величину L называют индуктивностью контура, или его коэффициентом самоиндукции.

Используя закон электромагнитной индукции и полученное выражение, получаем равенство

ᴇ = ∆Ф/∆t = L∆I/ t

если считать, что форма контура остается неизменной и поток меняется только за счет изменения силы тока.

Из формулы следует, что индуктивность — это физическая величина, численно равная ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на 1 А за 1 с.

Индуктивность, подобно электроемкости, зависит от геометрических факторов: размеров проводника и его формы, но не зависит непосредственно от силы тока в проводнике. Кроме геометрии проводника, индуктивность зависит от магнитных свойств среды, в которой находится проводник.

Очевидно, что индуктивность одного проволочного витка меньше, чем у катушки (соленоида), состоящей из N таких же витков, так как магнитный поток катушки увеличивается в N раз.

Единицу индуктивности в СИ называют генри (обозначается Гн). Индуктивность проводника равна 1 Гн, если в нем при равномерном изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В:

С явлением самоиндукции человек сталкивается ежедневно. Каждый раз, включая или выключая свет, мы тем самым замыкаем или размыкаем цепь, при этом возбуждая индукционные токи. Иногда эти токи могут достигать таких больших величин, что внутри выключателя проскакивает искра, которую мы можем увидеть.

Аналогия между самоиндукцией и инерцией. Явление самоиндукции подобно явлению инерции в механике. Так, инерция приводит к тому, что под действием силы тело не мгновенно приобретает определенную скорость, а постепенно. Тело нельзя мгновенно затормозить, как бы велика ни была тормозящая сила. Точно так же за счет самоиндукции при замыкании цепи сила тока не сразу приобретает определенное значение, а нарастает постепенно. Выключая источник, мы не прекращаем ток сразу. Самоиндукция поддерживает его некоторое время, несмотря на сопротивление цепи.

Для создания электрического тока и, следовательно, его магнитного поля необходимо выполнить работу против сил вихревого электрического поля. Эта работа (согласно закону сохранения энергии) равна энергии электрического тока или энергии магнитного поля тока.

.       Если самоиндукция аналогична инерции, то индуктивность в процессе создания тока играет ту же роль, что и масса при увеличении скорости в механике. Роль скорости тела в электродинамике играет сила тока как величина, характеризующая движение электрических зарядов.

Тогда энергию тока можно считать величиной подобной кинетической энергии в механике:
Энергия магнитного поля тока.

РЕШЕНИЕ  ЗАДАЧ,

Задача 1. Какова индуктивность витка проволоки, если при токе 6 А создается магнитный поток 12 мВб?

Задача 2  В катушке из 150 витков течет ток 7,5 А, и при этом создается магнитный поток 20 мВб. Какова индуктивность катушки?

 Задача 3  Через соленоид, индуктивность которого 0,4 мГн и площадь поперечного сечения 10 см2, проходит ток 0,5 А. Какова индукция поля внутри соленоида, если он содержит 100 витков.

     

ЗАДАНИЕ

1. Сделать конспект.

2. Выполнить тест  по теме    « САМОИНДУКЦИЯ, ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ»

Вопрос 1

По витку проволоки с индуктивностью 20 мГн протекает ток 3 А. Какой магнитный поток (в мВб) пронизывает этот виток?

Вопрос 2

Сила тока в контуре уменьшилась от 10 А до 5 А за 10 мс. В результате в контуре  возникла  ЭДС самоиндукции 2 В.  Найдите индуктивность контура (в мГн).

Вопрос 3

По соленоиду с индуктивностью 50 мГн протекает ток 4 А. Найдите магнитную энергию соленоида (в Дж).

Вопрос 4

При выключении лампочки, рассчитанной на 200 мА, в ней возникает ЭДС самоиндукции 1 мВ. Считая, что время выключения занимает 10 мс, найдите индуктивность спирали лампочки (в мкГн).

Вопрос 5

Проводник длиной 50 см движется в магнитном поле с индукцией 30 мТл со скоростью 7,2 км/ч. Найдите ЭДС индукции в проводнике (в мВ), если угол между направлением протекания тока и направлением вектора магнитной индукции равен 30^о.

Вопрос 6

Соленоид имеет длину 30 см и площадь поперечного сечения 10 см². Найдите модуль вектора магнитной индукции (в Тл), если известно, что энергия магнитного поля соленоида составляет 5 Дж.

Вопрос 7

От чего не зависит ЭДС индукции в движущихся проводниках?

Варианты ответов

• От силы тока в них
• От их длины
• От магнитного поля, в котором находятся проводники
• От скорости их движения

Вопрос 8

Катушку с индуктивностью 50 мГн пронизывает магнитный поток 0,3 Вб. Найдите энергию магнитного поля катушки (в Дж).

Вопрос 9

Известно, что при силе тока 8 А контур пронизывает магнитный поток, равный 20 мВб. Найдите ЭДС индукции (в мВ), возникающую в контуре при уменьшении силы тока вдвое за промежуток времени, равный 0,05 с.

Вопрос 10

При увеличении силы тока в катушке вдвое, магнитная энергия катушки увеличилась в 4 раза. Что можно сказать об индуктивности этой катушки?

Варианты ответов

• Индуктивность равна 2 Гн
• Индуктивность равна 4 Гн
• Катушка не обладает индуктивностью
• Об индуктивности ничего нельзя сказать, т.к. при увеличении силы тока вдвое, энергия магнитного поля катушки возрастает в 4 раза, независимо от индуктивности

ЖЕЛАЮ  УСПЕХА!

УРОК №23

24.11.2022г. :  ГРУППА 406. Тема. «РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ  НА ЭЛЕКТРОМАГНИТНУЮ ИНДУКЦИЮ»

Зaдaчи пo физикe - этo пpocтo! He зaбывaeм, чтo peшaть зaдaчи нaдo вceгдa в cиcтeмe CИ! A тeпepь к зaдaчaм! Элeмeнтapныe зaдaчи из куpca шкoльнoй физики нa вычиcлeниe ЭДC индукции.

 Зaдaчa 1 Зa вpeмя 5 мc в coлeнoидe, coдepжaщeм 500 виткoв пpoвoдa, мaгнитный пoтoк paвнoмepнo убывaeт oт 7 мBб дo З мBб. Haйдитe ЭДC индукции в coлeнoидe.

 Зaдaчa 2 Kaкoй мaгнитный пoтoк пpoнизывaeт кaждый витoк кaтушки, имeющeй 1000 виткoв, ecли пpи paвнoмepнoм иcчeзнoвeнии мaгнитнoгo пoля в тeчeниe 0,1 c в кaтушкe индуциpуeтcя ЭДC paвнaя 10 B ?

Зaдaчa З  Bитoк пpoвoдникa плoщaдью 2 cм2 pacпoлoжeн пepпeндикуляpнo вeктopу мaгнитнoй индукции. Чeму paвнa ЭДC индукции в виткe, ecли зa вpeмя 0,05 ceкунд мaгнитнaя индукция paвнoмepнo убывaeт c 0,5 Tл дo 0,1 Tл?

 Зaдaчa 4      B oднopoднoм мaгнитнoм пoлe пepпeндикуляpнo к нaпpaвлeнию вeктopa индукции , мoдуль кoтopoгo 0,1 Tл, движeтcя пpoвoд длинoй 2 мeтpa co cкopocтью 5 м/c, пepпeндикуляpнoй пpoвoднику. Kaкaя ЭДC индуциpуeтcя в этoм пpoвoдникe?

 

Зaдaчa 5 Пepпeндикуляpнo вeктopу мaгнитнoй индукции пepeмeщaeтcя пpoвoдник длинoй 1,8 мeтpa co cкopocтью 6 м/c. ЭДC индукции paвнa 1,44 B. Haйти мaгнитную индукцию мaгнитнoгo пoля.

 Зaдaчa 6 Caмoлeт имeeт paзмax кpыльeв 15 мeтpoв. Гopизoнтaльнaя cкopocть пoлeтa paвнa720 км/чac. Oпpeдeлить paзнocть пoтeнциaлoв, вoзникaющиx мeжду кoнцaми кpыльeв. Bepтикaльнaя cocтaвляющaя мaгнитнoй индукции (пepпeндикуляpнo пoвepxнocти Зeмли) paвнa 50 мкTл.

Задание :

Решить самостоятельно:

Зaдaчa 7 Maгнитный пoтoк чepeз кoнтуp пpoвoдникa coпpoтивлeниeм 0,0З Oм зa 2 ceкунды измeнилcя нa 0,012 Bб. Haйдитe cилу тoкa в пpoвoдникe ecли измeнeниe пoтoкa пpoиcxoдилo paвнoмepнo.

 

Зaдaчa 8 B oднopoднoм мaгнитнoм пoлe нaxoдитcя плocкий витoк плoщaдью 10 cм2, pacпoлoжeнный пepпeндикуляpнo вeктopу мaгнитнoй индукции. Kaкoй тoк тeчeт пo витку, ecли пoлe будeт убывaть c пocтoяннoй cкopocтью 0,5 Tл/c?

 

 Зaдaчa 9 Coпpoтивлeниe зaмкнутoгo кoнтуpa paвнo 0,5 Oм. Пpи пepeмeщeнии кoльцa в мaгнитнoм пoлe мaгнитный пoтoк чepeз кoльцo измeнилcя нa 5x10-3 Bб. Kaкoй зa этo вpeмя пpoшeл зapяд чepeз пoпepeчнoe ceчeниe пpoвoдникa?

 УРОК № 22

17 .11.2022.ГРУППА  406  ФИЗИКА.  ТЕМА  «Явление электромагнитной индукции»

Электромагнитная индукция – явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его.

Явление электромагнитной индукции было открыто М. Фарадеем.

Опыты Фарадея

На одну непроводящую основу были намотаны две катушки: витки первой катушки были расположены между витками второй. Витки одной катушки были замкнуты на гальванометр, а второй – подключены к источнику тока. При замыкании ключа и протекании тока по второй катушке в первой возникал импульс тока. При размыкании ключа также наблюдался импульс тока, но ток через гальванометр тек в противоположном направлении.

Первая катушка была подключена к источнику тока, вторая, подключенная к гальванометру, перемещалась относительно нее. При приближении или удалении катушки фиксировался ток.

Катушка замкнута на гальванометр, а магнит движется – вдвигается (выдвигается) – относительно катушки.

Опыты показали, что индукционный ток возникает только при изменении линий магнитной индукции. Направление тока будет различно при увеличении числа линий и при их уменьшении.

Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока. Может изменяться само поле, или контур может перемещаться в неоднородном магнитном поле.

Объяснения возникновения индукционного тока

   Ток в цепи может существовать, когда на свободные заряды действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура равна ЭДС. Значит, при изменении числа магнитных линий через поверхность, ограниченную контуром, в нем появляется ЭДС, которую называют ЭДС индукции.

Электроны в неподвижном проводнике могут приводиться в движение только электрическим полем. Это электрическое поле порождается изменяющимся во времени магнитным полем. Его называют вихревым электрическим полем. Представление о вихревом электрическом поле было введено в физику великим английским физиком Дж. Максвеллом в 1861 году.

Свойства вихревого электрического поля:

источник – переменное магнитное поле;

обнаруживается по действию на заряд;

не является потенциальным;

линии поля замкнутые.

Работа этого поля при перемещении единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС индукции в неподвижном проводнике.

 

Магнитный поток

Магнитным потоком через площадь ​S​контура называют скалярную физическую величину, равную произведению модуля вектора магнитной индукции ​B​, площади поверхности ​S​, пронизываемой данным потоком, и косинуса угла ​α​ между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали (перпендикуляра к плоскости данной поверхности):

 

Обозначение – ​Φ​, единица измерения в СИ – вебер (Вб).

Магнитный поток в 1 вебер создается однородным магнитным полем с индукцией 1 Тл через поверхность площадью 1 м², расположенную перпендикулярно вектору магнитной индукции

Магнитный поток  можно наглядно представить как величину, пропорциональную числу магнитных линий, проходящих через данную площадь.

В зависимости от угла ​α​ магнитный поток может быть положительным (α < 90°) или отрицательным (α > 90°). Если α = 90°, то магнитный поток равен 0.

Изменить магнитный поток можно меняя площадь контура, модуль индукции поля или расположение контура в магнитном поле (поворачивая его).

В случае неоднородного магнитного поля и неплоского контура магнитный поток находят как сумму магнитных потоков, пронизывающих площадь каждого из участков, на которые можно разбить данную поверхность.

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея):

ЭДС индукции в замкнутом контуре равна и противоположна по знаку скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром:

Знак «–» в формуле позволяет учесть направление индукционного тока. Индукционный ток в замкнутом контуре имеет всегда такое направление, чтобы магнитный поток поля, созданного этим током сквозь поверхность, ограниченную контуром, уменьшал бы те изменения поля, которые вызвали появление индукционного тока.

Если контур состоит из ​N​ витков, то ЭДС индукции:

Сила индукционного тока в замкнутом проводящем контуре с сопротивлением R​:

При движении проводника длиной ​l​ со скоростью ​v​ в постоянном однородном магнитном поле с индукцией ​B⃗ ​ ЭДС электромагнитной индукции равна:

где ​α​ – угол между векторами ​B⃗ ​ и v⃗ .

Возникновение ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Движущийся в магнитном поле проводник, по которому протекает индукционный ток, испытывает магнитное торможение. Полная работа силы Лоренца равна нулю.

Количество теплоты в контуре выделяется либо за счет работы внешней силы, которая поддерживает скорость проводника неизменной, либо за счет уменьшения кинетической энергии проводника.

Важно!
Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам:

магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле;

вторая причина изменения магнитного потока, пронизывающего контур, – изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре. В этом случае возникновение ЭДС индукции уже нельзя объяснить действием силы Лоренца. Явление электромагнитной индукции в неподвижных проводниках, возникающее при изменении окружающего магнитного поля, также описывается формулой Фарадея.

Таким образом, явления индукции в движущихся и неподвижных проводниках протекают одинаково, но физическая причина возникновения индукционного тока оказывается в этих двух случаях различной:

в случае движущихся проводников ЭДС индукции обусловлена силой Лоренца;

в случае неподвижных проводников ЭДС индукции является следствием действия на свободные заряды вихревого электрического поля, возникающего при изменении магнитного поля.

 Правило Ленца

Направление индукционного тока определяется по правилу Ленца: индукционный ток, возбуждаемый в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, всегда направлен так, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Алгоритм решения задач с использованием правила Ленца:

1. определить направление линий магнитной индукции внешнего магнитного поля;

2. выяснить, как изменяется магнитный поток;

3. определить направление линий магнитной индукции магнитного поля индукционного тока: если магнитный поток уменьшается, то они сонаправлены с линиями внешнего магнитного поля; если магнитный поток увеличивается, – противоположно направлению линий магнитной индукции внешнего поля;

4. по правилу буравчика, зная направление линий индукции магнитного поля индукционного тока, определить направление индукционного тока.

Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

ЗАДАНИЕ:

1. СОСТАВИТЬ КОНСПЕКТ.

2. ВЫПОЛНИТЬ ТЕСТ:

Вариант 1
1. В короткозамкнутую катушку один раз быстро, второй раз медленно вдвигают магнит. В каком случае заряд, который переносится индукционным током, больше?
1) в первом случае заряд больше; 2) во втором случае заряд больше;
3) в обоих случаях заряд одинаков; 4) заряд равен нулю.
2. Что определяется скоростью изменения магнитного потока через контур?
1) индуктивность контура; 2) магнитная индукция;
3) ЭДС индукции; 4) ЭДС самоиндукции.
3. Электрический заряд перемещается по замкнутому пути и возвращается в исходную точку
А. в электростатическом поле; Б. в индукционном электрическом поле.
4. В каком случае работа сил электрического поля обязательно равна нулю?
1) А; 2) Б; 3) А, Б; 4) ни в А, ни в Б.
5. За 2 с магнитный поток, пронизывающий контур, равномерно увеличился с 2 до 8 Вб. Чему при этом было равно ЭДС индукции в контуре?
1) 5 В 2) 20 В 3) 3 В 4) 12 В 5) 0 В.
6. Как изменится индуктивность контура при увеличении силы тока в 2 раза, если магнитный поток не меняется?
1) увеличится в 2 раза 2) уменьшится в 2 раза
3) увеличится в 4 раза 4) не изменится
7. Укажите устройство
, в котором используется явление возникновения тока при движении проводника в магнитном поле.
1) электромагнит; 2) электродвигатель;
3) электрогенератор; 4) амперметр.
8. Какое из перечисленных ниже свойств относится только к вихревому электрическому полю, но не к электростатическому?
           непрерывность в пространстве;
          линии напряженности обязательно связаны с электрическими зарядами;
          работа сил поля при перемещении заряда по любому замкнутому пути;
поле обладает запасом энергии;
          работа сил поля при перемещении заряда по замкнутому пути может быть не равной нулю.
9. Определите значение изменения магнитного поток, если за 4 с в контуре возникает ЭДС индукции равная 2 В.
1) 2 Вб 2) 4 Вб 3) 6 Вб 4) 8 Вб 5) 10 Вб

УРОК №22

 17.11.2022 г. ГРУППА  406.  ФИЗИКА. ТЕМА.   «Сила Лоренца»

Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

Формула для нахождения силы Лоренца:

где​q​ – заряд частицы, ​v​ – скорость частицы, ​B​ – модуль вектора магнитной индукции, ​α​ – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​B⊥​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.

Если заряд частицы отрицательный, то направление силы изменяется на противоположное.

Важно!
Если вектор скорости сонаправлен с вектором магнитной индукции, то частица движется равномерно и прямолинейно.

В однородном магнитном поле сила Лоренца искривляет траекторию движения частицы.

Если вектор скорости перпендикулярен вектору магнитной индукции, то частица движется по окружности, радиус которой равен:

где​m​ – масса частицы, ​v​ – скорость частицы, ​B​ – модуль вектора магнитной индукции, ​q​ – заряд частицы.

В этом случае сила Лоренца играет роль центростремительной и ее работа равна нулю. Период (частота) обращения частицы не зависит от радиуса окружности и скорости частицы. Формула для вычисления периода обращения частицы:

Угловая скорость движения заряженной частицы:

Важно!

Сила Лоренца не меняет кинетическую энергию частицы и модуль ее скорости. Под действием силы Лоренца изменяется направление скорости частицы.

Если вектор скорости направлен под углом ​α​ (0° < α < 90°) к вектору магнитной индукции, то частица движется по винтовой линии.

В этом случае вектор скорости частицы можно представить как сумму двух векторов скорости, один из которых, ​v₂​, параллелен вектору B⃗ , а другой, v₁, – перпендикулярен ему. Вектор v₁ не меняется ни по модулю, ни по направлению. Вектор v₂ меняется по направлению. Сила Лоренца будет сообщать движущейся частице ускорение, перпендикулярное вектору скорости v₁. Частица будет двигаться по окружности. Период обращения частицы по окружности – ​T​.

Таким образом, на равномерное движение вдоль линии индукции будет накладываться движение по окружности в плоскости, перпендикулярной вектору B⃗ . Частица движется по винтовой линии с шагом ​h=v2T​.

Важно!

Если частица движется в электрическом и магнитном полях, то полная сила Лоренца равна:

Особенности движения заряженной частицы в магнитном поле используются в масс-спектрометрах – устройствах для измерения масс заряженных частиц; ускорителях частиц; для термоизоляции плазмы в установках «Токамак».

 

Алгоритм решения задач о действии магнитного (и электрического) поля на заряженные частицы:

1.  сделать чертеж, указать на нем силовые линии магнитного (и электрического) поля, нарисовать вектор начальной скорости частицы и отметить знак ее заряда;

2. изобразить силы, действующие на заряженную частицу;

определить вид траектории частицы;

3. разложить силы, действующие на заряженную частицу, вдоль направления магнитного поля и по направлению, ему перпендикулярному;

4. составить основное уравнение динамики материальной точки по каждому из направлений разложения сил;

5. выразить силы через величины, от которых они зависят;

6. решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;

7. решение проверить.

ЗАДАНИЕ:

1. Сделать конспект, выписать определения, формулы.

2. Ответить на вопросы:

    А)  Какая сила называется силой Лоренца? Запишите формулу.

    Б)  Как направлена сила Лоренца?

    В)  Как определяют силу Лоренца?  Запишите.

    Г)  Когда частица движется прямолинейно и равномерно?

   Д)  Когда частица движется по окружности?  Чему равен радиус окружности?

   Е)  Период обращения и угловая скорость равны…

   Ж) Чему будет равна полная сила Лоренца, если тело движется в электрическом и магнитном полях?

3. Решить задачу.

Определить радиус окружности и период обращения электрона в однородном магнитном поле с индукцией  В =0,01 Тл. Скорость электрона перпендикулярна вектору магнитной индукции и равна 10⁶ м/с. Масса электрона  m_е  = 9,1∙ 10^-31 кг, его заряд  q_е = - 1,6∙ 10^-19 Кл.

  

   

УРОК № 21

1.11.2022г. ГРУППА 406. ФИЗИКА. ТЕМА «ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПРОВОДНИКОВ С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ТОКОМ»

 Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле. Движущиеся заряды создают магнитное поле.

Вокруг любого магнита существует магнитное поле.

          В 1820 году Эрстед обнаружил, что магнитное поле порождается электрическим током (опыт Эрстеда  - отклонение магнитной стрелки, помещённой под проводник с электрическим током ).

       В 1820 году Ампер предложил, что «магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел».

Свойства магнитного поля.

 

1).  Магнитное поле порождается только движущимися зарядами, в частности электрическим током.

2).  В отличие от электрического поля магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся заряды (заряженные тела).

3).  Магнитное поле материально, т.к. оно действует на тело, следовательно обладает энергией.

4).  Магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку.

 Опыт Ампера.

Пропускаем ток по параллельным проводникам. Гибкие проводники укрепляются вертикально, затем присоединяем их к источнику тока. Ничего не наблюдаем. Но если замкнуть концы проводников проволокой, в проводниках возникнут токи противоположного направления. Проводники начнут отталкиваться друг от друга.

В случае токов одного направления проводники притягиваются. Это взаимодействие между проводниками с током, т.е. взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, называют магнитным. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Изобретение компаса.

В 12 веке в Европе стал известен компас как прибор, с помощью которого можно определить направление частей света.

Применение (12 в.) в морских путешествиях для определения курса корабля в открытом море.

Магнит имеет два полюса: северный и южный, одноимённые полюсы отталкиваются, разноимённые – притягиваются.

 Эксперимент 1.

Расположим перед катушкой компас. Замкнём цепь и будем наблюдать за поведением компаса.

Вывод: вокруг проводника с током существует (возникает) магнитное поле.

 Эксперимент 2.

 Расположим перед катушкой компас так, чтобы расстояние между ними было около 12 см. замкнём электрическую цепь. В данном случае отклонения стрелки не наблюдается. При приближении катушки к компасу на расстоянии 8 см, наблюдается отклонение стрелки (30⁰). Уменьшая расстояние, видим увеличение угла отклонения стрелки. Чем дальше от проводника с током, тем слабее магнитное поле.

            Магнитное поле можно изобразить графически при помощи линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направление вектора магнитной индукции.

Линии магнитной индукции не пересекаются. При изображении магнитного поля с помощью линий магнитной индукции эти линии наносятся так, чтобы их густота в любом месте поля была пропорциональна значению модуля магнитной индукции.

      Характерной особенностью линий магнитной индукции является их замкнутость. Магнитное поле вихревое.

Правило правого винта: Если вы когда-нибудь закручивали винт или шуруп, то вы наверняка знаете, в какую сторону он закручивается, а в какую выкручивается. Люди унифицировали направление закручивая винтов и шурупов. Это значит, что все шурупы и винты во всем мире

закручиваются в одну сторону. То есть, если вы купите некий прибор в другой стране, то в случае его ремонта или сборки вам не потребуются винты с нарезкой в иную сторону, такие, каких не купишь в вашей стране. Нарезка всех винтов в мире совпадает. Это правило нарушают лишь в некоторых особых случаях, когда от нарезки зависит вращение некой части устройства. Но для таких случаев делают специальные детали. Это простое, но гениальное решение избавило от множества потенциальных проблем.

       «Правило буравчика», направление тока и линий его магнитного поля

Оказывается, что это правило применимо не только в механике к закручиванию винтов. Если мы имеем проводник с током, то это правило помогает нам определить направление линий магнитного поля, образованного этим током. Только это правило в данном случае носит название «правила буравчика». Правило буравчика звучит следующим образом:

    Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

Буравчик это винт или шуруп, который мы ввинчиваем. Направление ручки буравчика это направление вращения нашей руки. Если ток движется от нас, то и шуруп движется от нас, то есть мы его ввинчиваем, так как мы условились считать их направления совпадающими.

Тогда направление вращения нашей руки в процессе ввинчивания это направление магнитных линий. Они будут направлены по часовой стрелке.

В случае противоположного направления электрического тока, линии магнитного поля будут направлены, соответственно, против часовой стрелки. Таким же было бы направление руки в процессе выкручивая винта или направление ручки буравчика в случае его движения к нам.

А как определить направление тока, если мы знаем направление магнитных линий? Очень просто. По тому же правилу. Только изначально бы берем за известный факт не направление движения буравчика, а направление вращения его ручки.

Правило правой руки

В случае, когда мы имеем дело с магнитным полем катушки с током или соленоида, картина будет более сложной. Поэтому для простого нахождения направления линий магнитного поля в таком случае существует правило правой руки. Оно гласит:

          Если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

 Открытие электромагнетизма:

В XVIII в. электричество и магнетизм считались хотя и похожими, но все же имеющими различную природу явлениями. Правда, были известны некоторые факты, указывающие на существование как будто бы связи между магнетизмом и электричеством, например намагничение железных предметов в результате ударов молнии. Больше того, Франклину удалось как будто бы намагнитить кусок железа с помощью разряда лейденской банки. Все-таки известные факты не позволяли уверенно утверждать, что между электрическими и магнитными явлениями существует связь.

     Такую связь впервые обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 г. Он открыл действие электрического тока на магнитную стрелку.

Интересна история этого открытия. Идею о связи между электрическими и магнитными явлениями Эрстед высказал еще в первом десятилетии XIX в. Он полагал, что в явлениях природы, несмотря на все их многообразие, имеется единство, что все они связаны между собой.

 Руководствуясь этой идеей, он поставил перед собой задачу выяснить на опыте, в чем эта связь проявляется.

Эрстед открыл, что если над проводником, направленным вдоль земного меридиана, поместить магнитную стрелку, которая показывает на север, и по проводнику пропустить электрический ток, то стрелка отклоняется на некоторый угол.

После того как Эрстед опубликовал свое открытие, многие физики занялись исследованием этого нового явления. Французские ученые Био и Савар постарались установить закон действия тока на магнитную стрелку, т. е. определить, как и от чего зависит сила, действующая на магнитную стрелку, когда она помещена около электрического тока. Они установили, что сила, действующая на магнитный полюс (на конец длинного магнита) со стороны прямолинейного проводника с током, направлена перпендикулярно к кратчайшему расстоянию от полюса до проводника и модуль ее обратно пропорционален этому расстоянию.

Познакомившись с работой Био и Савара, Лаплас заметил, что для расчета «магнитной» силы, т. е., говоря современным языком, напряженности магнитного поля, полезно рассматривать действие очень малых отрезков проводника с током на магнитный полюс.

.  Новый важнейший шаг в исследовании электромагнетизма был сделан французским ученым Андре Мари Ампером в 1820г.

Раздумывая над открытием Эрстеда, Ампер пришел к совершенно новым идеям. Он предположил, что магнитные явления вызываются взаимодействием электрических токов. Каждый магнит представляет собой систему замкнутых электрических токов, плоскости которых перпендикулярны оси магнита. Взаимодействие магнитов, их притяжение и отталкивание объясняются притяжением и отталкиванием, существующими между токами. 3емной магнетизм также обусловлен электрическими токами, которые протекают в земном шаре.

 

Задание:

1. Сделайте конспект сообщения.

2. Ответьте на вопросы:.

1.   Какие взаимодействия называются магнитными?

2.   Основные свойства магнитного поля.

3.   Опишите опыт Эрстеда, что доказывает опыт Эрстеда?

4.   Правило правого винта.

5.   От чего зависит магнитная индукция поля внутри вытянутой катушки?

УРОК № 18-19

03.--10.11.2022г. ГРУППА  406.  ФИЗИКА.   ТЕМА   « Магнитное поле. Сила Ампера»                                                                          

   Магнитное поле – особая форма материи, существующая вокруг движущихся электрических зарядов – токов.

Источниками магнитного поля являются постоянные магниты, проводники с током. Обнаружить магнитное поле можно по действию на магнитную стрелку, проводник с током и движущиеся заряженные частицы.

Для исследования магнитного поля используют замкнутый плоский контур с током (рамку с током).

Впервые поворот магнитной стрелки около проводника, по которому протекает ток, обнаружил в 1820 году Эрстед. Ампер наблюдал взаимодействие проводников, по которым протекал ток: если токи в проводниках текут в одном направлении, то проводники притягиваются, если токи в проводниках текут в противоположных направлениях, то они отталкиваются.

Свойства магнитного поля:

• магнитное поле материально;
• источник и индикатор поля – электрический ток;
• магнитное поле является вихревым – его силовые линии (линии магнитной индукции) замкнутые;
• величина поля убывает с расстоянием от источника поля.

Важно!
Магнитное поле не является потенциальным. Его работа на замкнутой траектории может быть не равна нулю.

Магнитным взаимодействием называют притяжение или отталкивание электрически нейтральных проводников при пропускании через них электрического тока.

Магнитное взаимодействие движущихся электрических зарядов объясняется так: всякий движущийся электрический заряд создает в пространстве магнитное поле, которое действует на движущиеся заряженные частицы.

Силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции ​B⃗ ​. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального значения силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, к силе тока в проводнике ​I​ и его длине ​l​:

Обозначение – B⃗ , единица измерения в СИ – тесла (Тл).

1 Тл – это индукция такого магнитного поля, в котором на каждый метр длины проводника при силе тока 1 А действует максимальная сила 1 Н.

Направление вектора магнитной индукции совпадает с направлением от южного полюса к северному полюсу магнитной стрелки (направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки), свободно установившейся в магнитном поле.

Направление вектора магнитной индукции можно определить по правилу буравчика:

если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением вектора магнитной индукции.

Для определения магнитной индукции нескольких полей используется принцип суперпозиции:

                   

магнитная индукция результирующего поля, созданного несколькими источниками, равна векторной сумме магнитных индукций полей, создаваемых каждым источником в отдельности:

Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции одинаков по величине и направлению, называется однородным.

Наглядно магнитное поле изображают в виде магнитных линий или линий магнитной индукции. Линия магнитной индукции – это воображаемая линия, в любой точке которой вектор магнитной индукции направлен по касательной к ней.

Свойства магнитных линий

         магнитные линии непрерывны;

• магнитные линии замкнуты (т.е. в природе не существует магнитных зарядов, аналогичных электрическим зарядам);
• магнитные линии имеют направление, связанное с направлением тока.

Густота расположения позволяет судить о величине поля: чем гуще расположены линии, тем сильнее поле.

На плоский замкнутый контур с током, помещенный в однородное магнитное поле, действует момент сил ​M​:

где ​I​ – сила тока в проводнике, ​S​ – площадь поверхности, охватываемая контуром, ​B​ – модуль вектора магнитной индукции, ​α​ – угол между перпендикуляром к плоскости контура и вектором магнитной индукции.

Тогда для модуля вектора магнитной индукции можно записать формулу:

где максимальный момент сил соответствует углу ​α​ = 90°.

Взаимодействие магнитов   В этом случае линии магнитной индукции лежат в плоскости рамки, и ее положение равновесия является неустойчивым. Устойчивым будет положение рамки с током в случае, когда плоскость рамки перпендикулярна линиям магнитной индукции.

Постоянные магниты – это тела, длительное время сохраняющие намагниченность, то есть создающие магнитное поле.

Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов (например стали). Магниты бывают естественные (из магнитного железняка) и искусственные, представляющие собой намагниченные железные полосы. Области магнита, где его магнитные свойства выражены наиболее сильно, называют полюсами. У магнита два полюса: северный ​N​ и южный ​S​.Важно!

Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс.

Разделить полюса магнита нельзя.

Объяснил существование магнитного поля у постоянных магнитов Ампер. Согласно его гипотезе внутри молекул, из которых состоит магнит, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы определенным образом, то их действия складываются и тело проявляет магнитные свойства. Если эти токи расположены беспорядочно, то их действие взаимно компенсируется и тело не проявляет магнитных свойств.

Магниты взаимодействуют: одноименные магнитные полюса отталкиваются, разноименные – притягиваются.

Магнитное поле проводника с током

Электрический ток, протекающий по проводнику с током, создает в окружающем его пространстве магнитное поле. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле.

Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Направление линий магнитного поля вокруг проводника с током всегда находится в строгом соответствии с направлением тока, проходящего по проводнику.

Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика: если поступательное движение буравчика (1) совпадает с направлением тока (2) в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий (4) магнитного поля вокруг проводника.

При изменении направления тока линии магнитного поля также изменяют свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже. Следовательно, индукция магнитного поля уменьшается.

Направление тока в проводнике принято изображать точкой, если ток идет к нам, и крестиком, если ток направлен от нас.

Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.

В проводнике, согнутом в виде витка, магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, созданные отдельными витками, складываются. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается.

Чем больше ток, проходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле. Магнитное поле снаружи катушки также складывается из магнитных полей отдельных витков, однако магнитные силовые линии располагаются не так густо, вследствие чего интенсивность магнитного поля там не столь велика, как внутри катушки.

Магнитное поле катушки с током имеет такую же форму, как и поле прямолинейного постоянного магнита: силовые магнитные линии выходят из одного конца катушки и входят в другой ее конец. Поэтому катушка с током представляет собой искусственный электрический магнит. Обычно для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такую катушку называют электромагнитом.

Направление линий магнитной индукции катушки с током находят по правилу правой руки:

если мысленно обхватить катушку с током ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в ее витках, тогда большой палец укажет направление вектора магнитной индукции.

Для определения направления линий магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно использовать также правило буравчика:

если вращать ручку буравчика по направлению то

ка в витке или катушке, то поступательное движение буравчика укажет направление вектора магнитной индукции.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Полярность электромагнита (направление магнитного поля) можно определить и с помощью правила правой руки.

Сила Ампера

Сила Ампера – сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.                               

Закон Ампера: на проводник c током силой ​I​ длиной ​l​, помещенный в магнитное поле с индукцией ​B⃗ ​, действует сила, модуль которой равен:

где ​α​ – угол между 

проводником с током и вектором магнитной индукции ​B⃗ ​.

Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции ​B⊥​ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.

Сила Ампера не является центральной.

 Она направлена перпендикулярно линиям магнитной индукции.

Сила Ампера широко используется. В технических устройствах создают магнитное поле с помощью проводников, по которым течет электрический ток. Электромагниты используют в электромеханическом реле для дистанционного выключения электрических цепей, магнитном подъемном кране, жестком диске компьютера, записывающей головке видеомагнитофона, в кинескопе телевизора, мониторе компьютера. В быту, на транспорте и в промышленности широко применяют электрические двигатели. Взаимодействие электромагнита с полем постоянного магнита позволило создать электроизмерительные приборы (амперметр, вольтметр).

Простейшей моделью электродвигателя служит рамка с током, помещенная в магнитное поле постоянного магнита. В реальных электродвигателях вместо постоянных магнитов используют электромагниты, вместо рамки – обмотки с большим числом витков провода.

Коэффициент полезного действия электродвигателя:

где ​N​ – механическая мощность, развиваемая двигателем.

Коэффициент полезного действия электродвигателя очень высок.

Алгоритм решения задач о действии магнитного поля на проводники с током:

• сделать схематический чертеж, на котором указать проводник или контур с током и направление силовых линий поля;
• отметить углы между направлением поля и отдельными элементами контура;
• используя правило левой руки, определить направление силы Ампера, действующей на проводник с током или на каждый элемент контура, и показать эти силы на чертеже;
• указать все остальные силы, действующие на проводник или контур;
• записать формулы для остальных сил, упоминаемых в задаче. Выразить силы через величины, от которых они зависят. Если проводник находится в равновесии, то необходимо записать условие его равновесия (равенство нулю суммы сил и моментов сил);
• записать второй закон Ньютона в векторном виде и в проекциях;
• решить полученную систему уравнений относительно неизвестной величины;
• решение проверить.

• чины;
• решение проверить.

ЗАДАНИЕ:

1. Сделать конспект, выписать определения, формулы.

2. Записать правило буравчика,  правило левой руки для силы Ампера .

3. Записать алгоритм решения задач

4. Выполнить тест.            

                                                                                                                                                                     1. В пространстве, окружающем токи, возникает поле, называемое…

А. Электрическим. Б. Магнитным. В. Электромагнитным.

2. Любой покоящийся электрический заряд характеризуется наличием…

А. Электрического поля. Б. Магнитного поля. В. Электрического и магнитного полей.

3. Магнитное поле создается:

А. Неподвижными зарядами. Б. Движущимися электрическими зарядами.

4. Линии магнитной индукции:

А. Пересекаются. Б. Не пересекаются.

5. При изображении магнитного поля с помощью линий магнитной индукции эти линии наносятся:

А. Произвольно. Б. Вполне определённо.

6. Линии магнитного поля прямого проводника:

А. Перпендикулярны  проводнику. Б.Имеют вид концентрических окружностей.

7. Единица измерения магнитной индукции:

А. 1 Кл. Б. 1 А. В. 1 Тл. Г. 1 м

8. Закон, определяющий силу, действующую на отдельный участок проводника с током со стороны магнитного поля, был установлен…

А. Кулоном. Б. Эрстедом. В. Ампером. Г. Лоренцом.

10. Силу, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд, называют…

А. Силой Ампера. Б. Силой Лоренца. В. Силой Кулона.

11. Определите направление силы Ампера,  действующую на проводник с током:                       +                                                            А. Вверх. Б. Вниз. В. Влево. Г. Вправо.

  

УРОК №17

03.11.2022г. ГРУППА 406. Контрольная работа по теме: “Законы постоянного тока”

Вариант 1.

Часть А

А1. Электрический ток - это

1) направленное движение частиц

2) хаотическое движение заряженных частиц

3) изменение положения одних частиц относительно других

4) направленное движение заряженных частиц

 

А2. За 5 секунд по проводнику при силе тока 0,2 А проходит заряд равный

1) 0,04 Кл 2) 1 Кл 3) 5,2 Кл 4) 25 Кл

 A3. Работу электрического поля по перемещению заряда характеризует

1) напряжение 2) сопротивление

3) напряженность 4) сила тока

 А4. Напряжение на резисторе с сопротивлением 2 Ом при силе тока 4 А равно ... 1) 0,55 В 2) 2 В 3) 6 В 4) 8 B

 А5. Определить площадь сечения стального проводника длинной 1 км сопротивлением 50 Ом, удельное сопротивление стали 1,5^.10 ^-7 Ом • м.

1) 3^.10 ^-6 м² 2) 3^.10 ^-3 м²

3) 3^.10 ³ м² 4) 3^.10 ⁶ м²

 А6. На рисунке изображён график зависимости силы тока от

напряжения на одной секции телевизора. Каково сопротивление этой секции?

                                 

  

                                               1) 250 кОм 2) 0,25 Ом 3) 10 кОм 4) 100 Ом

А7. На участке цепи, состоящем из сопротивлений r₁ = 2 Ом и R₂ = 6 Ом, падение напряжения 24 В. Сила тока в каждом сопротивлении ...

l) I₁ = I₂ = 3 A 2) I₁ = 6 A, I₂ = 3 А

3) I₁ = 3 A, I₂ = 6 A 4) I₁ = I₂ = 9 A

А8. К последовательно соединенным сопротивлениям R₁ = R₂ =R₃ = 2 Ом параллельно подключено сопротивление R₄ = 6 Ом, полное сопротивление цепи равно ...

1) 12 Ом 2) 6 Ом 3) 3 Ом 4)1/12 0

9.  Как изменится сопротивление цепи, изображённой на рисунке, при замыкании ключа?

 

Уменьшится

Увеличится

Не изменится

Уменьшится или увеличится в зависимости от соотношения между сопротивлениями R₁ и R₂

 

           А10. Через участок цепи (см. рис.) течёт постоянный ток

I = 10 А. Какую силу тока показывает амперметр? Сопротивлением амперметра пренебречь.

1)2 А 2) 3А 3)5 А 4) 10 А

 А11. Мощность лампы накаливания при напряжении 220 В и силе тока 0,454 А равна

1) 60 Вт 2) 100 Вт 3) 200 Bт 4) 500 Bт

 А12. В источнике тока происходит ...

1) преобразование электрической энергии в механическую

2) разделение молекул вещества

3) преобразование энергии упорядоченного движения заряженных частиц в тепловую

4) разделение на положительные и отрицательные электрические заряды

А13. К источнику тока с внутренним сопротивлением 2 Ом подключили реостат. На рисунке показан график зависимости силы тока в реостате от его сопротивления. Чему равна ЭДС источника тока?

1) 16 В 2) 8 В 3) 4 В 4) 2 В

 

А14. Сопротивление первого проводника в 4 раза меньше сопротивления второго. Силы токов и время их прохождения по обоим проводникам одинаковы. Работа тока за это время в первом проводнике по сравнению с работой тока во втором

меньше в 2 раза 2) больше в 4 раза 3) меньше в 4 раза 4) больше в 2 раза

 

А 15. В данной цепи вольтметр показывает

1) ЭДС источника тока

2) 0 В

3) напряжение на внешнем участке цепи

4) напряжение на внутреннем участке цепи

А16. Цепь состоит из источника с ЭДС 12 В и внутренним сопротивлением 2 Ом. Внешнее сопротивление цепи 10 Ом. Ток короткого замыкания отличается от тока цепи в ... раз.

1) 2 2) 3 3) 5 4) 6

Часть В

В1. К концам длинного однородного проводника приложено напряжение U. Провод укоротили вдвое и приложили к нему прежнее напряжение U. Что произойдёт при этом с сопротивлением проводника, силой тока и мощностью? К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

     сопротивление проводника

Б) сила тока в проводнике

выделяющаяся на проводнике мощность

ИХ ИЗМЕНЕНИЕ

увеличится 2) уменьшится 3) не изменится

 

В2. Последовательно соединены два резистора R₁ = 6 Ом и R₂ = 3 Ом. Отношение количества теплоты выделяющегося в резисторах Q₁/Q₂ равно ...

 В3. Если к источнику подключить сопротивление 4 Ом, то ток в цепи 2А, а при

сопротивлении 6 Ом ток – 1,5 А. Определить ЭДС и внутреннее сопротивление источника.

В4. По участку цепи состоящей из трех равных резисторов проходит ток с силой 3 А. Два резистора соединены последовательно, а третий к ним параллельно. Амперметр, включенный в последовательный участок цепи, показывает

...

В 5. Конденсатор ёмкостью 2 мкФ присоединен к источнику постоянного тока с ЭДС 3,6 В и внутренним сопротивлением 1 Ом (см. рис.). Сопротивления резисторов R₁ = 4 Ом,

R₂= 7 Ом, R₃= 3 Ом. Каков заряд на правой обкладке конденсатора?

 

УРОК №16

27.10.2022г. ГРУППА  406. ФИЗИКА. «РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ «ЗАКОНЫ  ПОСТОЯННОГО ТОКА»

    Сегодня мы разберем методики решения нескольких задач, касающихся всех ключевых тем этой главы: правил соединения, законов Ома, работы тока.

Задача №1

Условие

Какова длина медного цилиндрического проводника, если при его подключении в цепь с напряжением 1 В на 15 секунд его температура увеличилась на 10 К?

Решение

Так как ничего не сказано о каком либо другом действии тока, значит, считаем, что вся энергия тока идет в выделение тепла. Пользуясь знаниями из раздела молекулярной физики, запишем, какое количество теплоты требуется для нагревания указанного количества меди на указанное количество градусов:

Здесь:  с– удельная теплоемкость меди (табл. 1); m – масса провода;  – прирост температуры.

Табл. 1. Удельная теплоемкость некоторых веществ

     C другой стороны запишем то же самое количество теплоты, но с учетом того, что именно столько выделилось в проводах в результате протекания тока. То есть воспользуемся законом Джоуля-Ленца:

Но с учетом того, какие данные нам известны по условию, целесообразнее будет записать эту формулу в виде:

Так как эти две величины являются одним и тем же, только записанным в разном виде (сколько тепла выделилось при прохождении тока, столько и пошло на нагревание медных проводов, потерями в окружающую среду можем пренебречь), приравняем их:

Распишем теперь все неизвестные множители на известные или табличные величины.

Распишем массу меди как:

Здесь: d – плотность меди (табл. 2); v – объем проводника.

Табл. 2. Плотность некоторых твердых тел

Так как проводник цилиндрический, можем расписать объем:

Здесь:  s – площадь сечения проводника; L – его длина.

Также следует расписать сопротивление цилиндрического проводника по соответствующей формуле:

Здесь: ρ – удельное сопротивление меди (табл. 3).

Табл. 3. Удельное сопротивление некоторых веществ

Подставим теперь все формулы в главное уравнение:

Сократив площадь сечения и выразив длину из этого выражения, мы получим формулу для финального подсчета:

Подставив данные из условия и табличные данные, получаем:

Ответ: 5,1 м

Задача № 2

Условие

В схеме, указанной на рисунке, ключ переключается между двумя резисторами, сопротивления которых равны , . Причем известно, что выделяемая мощность в одном и другом случае одинакова. Найти внутреннее сопротивление источника.

Рис. 4. Схема к задаче № 2

Решение

Для составления базового уравнения воспользуемся тем фактом, что мощность на каждом резисторе одна и та же:

И воспользуемся формулой для мощности в удобном для нас виде:

Теперь воспользуемся законом Ома для полной цепи, чтобы расписать силу тока:

После сокращения одинаковой ЭДС получим уравнение с одним неизвестным:

Далее решаем математическое уравнение любым удобным способом:

Ответ:   10 Ом.

---

Электрическая цепь, содержащая электроемкость

Условие

В цепи, указанной на рисунке, между обкладками конденсатора наблюдается электрическое поле напряженностью 4 В. Определить ЭДС источника, если расстояние между пластинами конденсатора 2 мм, сопротивление резистора 8 Ом, а внутреннее сопротивление источника 1 Ом.

Рис. 5. Схема к задаче

Самое главное – помнить, что, так как на схеме показан источник постоянного тока, конденсатор на схеме эквивалентен обрыву и через него ток не идет.

Для нахождения ЭДС запишем закон Ома для полной цепи:

Из имеющихся данных становится понятно, что для нахождения ЭДС обязательно нужно знать значение силы тока в цепи. Для его нахождения мы теперь уже рассмотрим только внешнюю цепь и запишем закон Ома для участка цепи:

Так как конденсатор и резистор соединены параллельно, то на резисторе такое же напряжение, как и на конденсаторе. Последнее мы можем найти, воспользовавшись формулой из электростатики для однородного поля (которое и создается между обкладками конденсатора):

Подставим теперь все выражение в закон Ома для полной цепи:

Выразим теперь ЭДС из этого уравнения:

Ответ:   9 В.

 

РЕШИТЬ САМОСТОЯТЕЛЬНО:

1. Цепь состоит из трёх последовательно соединённых проводников, подключённых к источнику напряжением 24 В. Сопротивление первого проводника 4 Ом, второго – 6 В.

Найти силу тока в цепи, сопротивление третьего проводника и напряжение на концах первого и второго проводников.

 

 УРОК №15

 27.10.2022г. ГРУППА 406.  ФИЗИКА.  ТЕМА «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ЖИДКОСТЯХ»

        Жидкости в степени электропроводности делятся на диэлектрики (дистиллированная вода), проводники (электролиты), полупроводники (расплавленный селен).

     Электролит представляет собой проводящую жидкость (растворы кислот, щелочей, солей и расплавленных солей).

 Электролитическая диссоциация представляет собой разложение молекул электролита на ионы при растворении в воде или плавлении.

Степень диссоциации - это доля молекул, которые распадаются на ионы. Электропроводность электролитов является ионной. Прохождение электрического тока связано с переносом вещества.

Электролиз - процесс выделения на электроде вещества, связанного с окислительно-восстановительными реакциями.

Закон электролиза открыт в 1833 году Майклом Фарадеем.

Закон Фарадея:     Масса вещества, выделившегося на электроде за время ∆

при прохождении электрического тока, пропорционально силе тока и времени.       m = kI∆t, где:

m – масса вещества, выделившегося на электродах

K –электрохимический эквивалент вещества

I   - сила тока

∆ t - промежуток времени

k - электрохимический эквивалент вещества, численно равного массе вещества, выделяемого на электроде, когда он проходит через зарядный электролит в 1 Кл.  Физический смысл – отношение массы иона к его заряду

 

                              где  m – масса  кг

                                  n – валентность металла

                                  N_а  -  Число Авогадро , равное   6,02 ∙10²³  моль^-1

                                  е    - заряд электрона, равный   1,6∙10 ^-19 Кл

Применение  электролиза:

1.  получение чистых металлов (очистка от примесей).

Так, полученную из руды неочищенную медь  оставляют в форме толстых листов, которые затем помещают в ванну в качестве анода. При электролизе медь анода растворяется, примеси, содержащие редкие металлы, выпадают на дно, а на катоде оседает чистая медь. Таким образом получают Алюминий.

2. гальваностегия (никелирование, хромирование и т. д.);

3. гальванопластика, то есть получение отслаивающихся покрытий (рельефные копии). Этот метод был разработан русским учёным Б.С. Якоби, который впервые применил этот способ для изготовления полых фигур для Исаакиевского  собора в Санкт-Петербурге.

Примеры и разбор решения заданий:

1. Источник тока присоединили к двум пластинам, опущенным в раствор поваренной соли. Сила тока в цепи равна 0,3 А.  Какой заряд проходит между пластинами в ванне за 7 минут?

Решение: Сила тока равна отношению заряда ко времени, в течение которого этот электрический заряд прошёл по цепи:

        I = g/ t,        отсюда  g = I∙ t

Подставив числовые значения, переведя время в СИ, получим q = 126 Кл.

Правильный ответ: q = 126 Кл.

2. В процессе электролиза из водного раствора хлорида железа-2 выделилось 840 мг железа. Какой заряд прошёл через электролитическую ванну?

Решение:   Из формулы    находим заряд g, равный заряду электрона е:

 m = k g

g = m /k = m ∙e ∙ N _А / М

Подставляем значения и получаем:
        q = 840 · 10^-6· 1,6 · 10^-19 · 2 · 6,02 · 10²³ / 0,056 = 2880 Кл.

Ответ: g =2880 Кл.

ЗАДАНИЕ  - выполнить тест

ТЕСТ.      «Электрический ток в жидкостях».

 

1.Электролитической диссоциацией называется

А) объединение ионов разных знаков в нейтральные молекулы

Б) образование положительных и отрицательных ионов при растворении веществ в жидкости

В) процесс выделения на электродах веществ, входящих в состав электролита

 2. Укажите верный ответ. Степень диссоциации зависит

А) от температуры

Б) от концентрации раствора

В) от электрических свойств растворителя

Г) все вышеперечисленное верно

 3. С увеличение температуры электролита, его электропроводность

А) увеличивается

Б) уменьшается

В) не изменяется

 4. Жидкости могут обладать

А) только электронной проводимостью

Б) только ионной проводимостью

В) как электронной, так и ионной проводимостью

 5. При электролизе металл оседает

А) на катоде

Б) на аноде

 6. Первое применение электролиза произошло

А) в 1830 году

Б) в 1838 году

В) в 1812 году

 

7. Формула первого закона Фарадея для электролиза:

А) k=mIt

Б) m=Ikt

В)  g=mIk

 8. Рекомбинацией называется

А) объединение ионов разных знаков в нейтральные молекулы

Б) процесс выделения на электродах веществ, входящих в состав электролита

В) образование положительных и отрицательных ионов при растворении веществ в жидкости

 

9/ Чем являются свободные заряды в электролитах?

А) электроны

Б) ионы молекулы воды, разорванной электрическим полем

В) дырки

 10. Электрохимический эквивалент выражается

 А) в кг    Б) в Кл     в) в кг/Кл

УРОК № 14

 20.10.2022г.  ГРУППА 406.   ТЕМА « Электрический ток в газах. Электрический ток в вакууме.»

В обычных условиях газ - это диэлектрик (R), т.е. состоит из нейтральных атомов и молекул и не содержит свободных носителей электрического тока.

Газ-проводник - это ионизированный газ, он обладает электронно-ионной проводимостью.

Воздух- диэлектрик	Воздух-проводник
линии электропередач воздушный конденсатор контактные выключатели	молния электрическая искра дуга при сварке

Ионизация газа -  это распад нейтральных атомов или молекул на положительные ионы и электроны под действием ионизатора (ультрафиолетовое, рентгеновское и радиоактивное излучения; нагрев)

и объясняется распадом атомов и молекул при столкновениях на высоких скоростях.

Газовый разряд – прохождение электрического тока через газ. Газовый разряд наблюдается в газоразрядных трубках (лампах) при воздействии электрического или магнитного поля.

Рекомбинация заряженных частиц

Газ перестает быть проводником, если ионизация прекращается, это происходит вследствие рекомбинации (воссоединения противоположно заряженных частиц). Виды газовых разрядов: самостоятельный и несамостоятельный.

Несамостоятельный газовый разряд — это разряд, существующий только под действием внешних ионизаторов   

Газ в трубке ионизирован, на электроды подается

напряже­ние (U) и в трубке возникает электрический ток(I).

При увеличении U возрастает сила тока I

Когда все заряженные частицы, образующиеся за секунду, достигают за это время электро­дов (при некотором напряжении (U*), ток достигает насыщения (I_н). Если действие иони­затора прекращается, то прекращается и разряд (I= 0).

Самостоятельный газовый разряд — разряд в газе, сохраняющийся после прекращения действия внешнего ионизатора за счет ионов и электронов, возникших в результате ударной ионизации (= ионизации электрического  удара); возникает при увеличении разности потенциалов между электродами (возникает электронная лавина).

При некотором значении напряжения (U_пробоя) сила тока снова

возрастает. Ионизатор уже не нужен для поддер­жания разряда.

Происходит ионизация электронным ударом.

Несамостоятельный газовый разряд может переходить в самостоятельный газовый разряд при U_а = U _{зажигания}.

Электрический пробой газа - переход несамостоятельного газового разряда в самостоятельный.

Типы  самостоятельного газового разряда:

1. тлеющий - при низких давлениях (до нескольких мм рт.ст.) - наблюдается в газосветных трубках и газовых лазерах. (лампы дневного света)

2. искровой - при нормальном давлении (P =P _атм)и высокой напряженности электрического поля Е (молния - сила тока до сотен тысяч ампер).

3. коронный - при нормальном давлении в неоднородном электрическом поле (на острие, огни святого Эльма).

4. дуговой - возникает между близко сдвинутыми электродами - большая плотность тока, малое напряжение между электродами, (в прожекторах, проекционной киноаппаратуре, сварка, ртутные лампы)

Плазма - это четвертое агрегатное состояние вещества с высокой степенью ионизации за счет столкновения молекул на большой скорости при высокой температуре; встречается в природе: ионосфера – слабо ионизированная плазма, Солнце - полностью ионизированная плазма; искусственная плазма – в газоразрядных лампах.

Плазма бывает: 1. - низкотемпературная Т < 10⁵ К;

  2. - высокотемпературная» Т > 10⁵ К.

Основные свойства плазмы:

- высокая электропроводность;

- сильное взаимодействие с внешними электрическими и магнитными полями.

При Т = 20∙ 10³ ÷ 30∙ 10³ К любое вещество - плазма.   99% вещества во Вселенной - плазма.

Электрический ток в вакууме.

Вакуум – сильно разреженный газ, соударений молекул практически нет, длина

свободного пробега частиц (расстояние между столкновениями) больше размеров сосуда

(Р « Р~10 ^-13 мм рт. ст.).   Для вакуума характерна электронная проводимость

(ток – движение электронов), сопротивление практически отсутствует (R = 0).

В вакууме:

- электрический ток невозможен, т.к. возможное количество ионизированных молекул не может обеспечить электропроводность;

- создать электрический ток в вакууме можно, если использовать источник заряженных частиц;

- действие источника заряженных частиц может быть основано на явлении термоэлектронной эмиссии.

Термоэлектронная эмиссия -   явление вылета свободных электронов с поверхности нагретых тел,  испускание электронов твердыми или жидкими телами происходит при их нагревании до температур, соответствующих видимому свечению раскаленного металла. Нагретый металлический электрод непрерывно испускает электроны, образуя вокруг себя электронное облако.

В равновесном состоянии число электронов, покинувших электрод, равно числу электронов, возвратившихся на него (т.к. электрод при потере электронов заряжается положительно). Чем выше температура металла, тем выше плотность электронного облака. Электрический ток в вакууме возможен в электронных лампах. Электронная лампа -  устройство, в котором применяется явление термоэлектронной эмиссии.

Вакуумный диод.

Вакуумный диод - это двухэлектродная (А- анод и К - катод) электронная лампа. Внутри стеклянного баллона создается очень низкое давление (10^-6 ÷10^{-7 мм рт. ст.), Нить накала, помещена внутрь катода для его нагревания. Поверхность нагретого катода испускает электроны. Если  анод соединен}

с “+” источника тока, а катод с “–”, то в цепи протекает постоянный термоэлектронный ток. Вакуумный диод обладает односторонней  проводимостью.

Т.е. ток в аноде возможен, если потенциал анода выше потенциала катода. В этом случае электроны из электронного облака притягиваются к аноду, создавая электрический ток в вакууме.

ВАХ (вольтамперная характеристика) вакуумного диода.

Ток на входе диодного выпрямителя

Ток на выходе диодного выпрямителя

 При малых напряжениях на аноде не все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, и ток небольшой. При больших напряжениях ток достигает насыщения, т.е. максимального значения. Вакуумный диод обладает односторонней проводимостью и используется для выпрямления переменного тока.

 Электронные пучки - это поток быстро летящих электронов в электронных лампах и газоразрядных устройствах.

Свойства электронных пучков:

- отклоняются в электрических полях;

- отклоняются в магнитных полях под действием силы Лоренца;

- при торможении пучка, попадающего на вещество, возникает рентгеновское излучение;

- вызывает свечение (люминесценцию) некоторых твердых и жидких тел (люминофоров );

- нагревают вещество, попадая на него.

Электронно - лучевая трубка ( ЭЛТ )

- используются явления термоэлектронной эмиссии и свойства электронных пучков.

Состав ЭЛТ: электронная пушка, горизонтальные и вертикальные отклоняющие пластины-электродов и экран.

В электронной пушке электроны, испускаемые подогревным катодом, проходят через управляющий электрод-сетку и ускоряются анодами. Электронная пушка фокусирует электронный пучок в точку и изменяет яркость свечения на экране. Отклоняющие горизонтальные и вертикальные пластины позволяют перемещать электронный пучок на экране в любую точку экрана. Экран трубки покрыт люминофором, который начинает светиться при бомбардировке его электронами.

Существуют два вида трубок:

1. с электростатическим управлением электронного пучка (отклонение электронного  пучка только  электрическим полем)

2. с электромагнитным управлением (добавляются магнитные отклоняющие катушки).

Основное применение ЭЛТ:  кинескопы в телеаппаратуре; дисплеи ЭВМ; электронные осциллографы в измерительной технике.

 В каком из перечисленных ниже случаев наблюдается явление термоэлектронной эмиссии?

А. Ионизация атомов под действием света. Б. Ионизация атомов в результате столкновений при высокой температуре. В. Испускание электронов с поверхности нагретого катода в телевизионной трубке. Г. При прохождении электрического тока через раствор электролита.

 ЗАДАНИЕ:

1.  Сделайте конспекты этих тем

 2.Ответьте на вопросы:

                    а)Для какой цели в электронных лампах создают вакуум?

                     б)Наблюдается ли термоэлектронная эмиссия в диэлектриках?

                    в) Как осуществляется управление электронными лучами?

                    г) Как устроена электронно-лучевая трубка?

 УРОК №13

20.10.2022г. ГРУППА  40406.  ФИЗИКА.  ТЕМА   «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В МЕТАЛЛАХ И В ПОЛУПРОВОДНИКАХ»

       Все тела по проводимости электрического тока делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Для того чтобы электрическую энергию доставить от источника тока потребителю составляют электрические цепи. В большинстве случаев в электрической цепи используются металлические провода. По физической природе зарядов – носителей электрического тока, электропроводность подразделяют  на:

А) электронную,

Б) ионную,

В) смешанную.

Какие заряженные частицы движутся в металлах при наличии тока?

    После открытия в 1897 году английским ученым Дж. Дж. Томсоном электрона стали разрабатываться теории, объясняющие электропроводность металлов. Автором первой теории был Пауль Друде – немецкий физик. Эта теория нуждалась в опытном обосновании. В 1901 г. немецкий физик Э. Рикке  поставил опыт по исследованию прохождения тока в металлах.

Результаты опыта свидетельствовали о том, что в переносе заряда в металлах ионы не участвуют. Впоследствии вопросом проводимости металлов заинтересовались и другие учёные. В 1913 году российские учёные Л. И. Мандельштам и Н. Д. Папалекси провели опыты по исследованию проводимости металлов. Суть опытов сводилась к тому, что катушка, на которую наматывали металлическую  проволоку  приводили во вращательное движение и резко тормозили. При торможении электроны продолжали двигаться по инерции и гальванометр, соединенный с катушкой фиксировал появление тока. По направлению отклонения стрелки гальванометра было установлено, что ток создается движением отрицательно заряженных частиц. На основании измерения отношения заряда частиц к их массе выяснилось, что ток создается движением свободных электронов. Аналогичный опыт был поставлен в 1916 году американскими учеными Т. Стюартом и  Р.Толменом. Результаты опытов говорили, что ток в металлах создается движением электронов.

После анализа имеющихся данных о прохождении тока в металлах разными учеными была разработана современная классическая теория проводимости тока металлами. Основные положения электронной теории проводимости металлов.

1. Металл можно описать следующей моделью: кристаллическая решетка ионов погружена в идеальный электронный газ, состоящий из свободных электронов. У большинства металлов каждый атом ионизирован, поэтому концентрация свободных электронов приблизительно равна концентрации атомов 1023- 1029м-3 и почти не зависит от температуры.

2.Свободные электроны в металлах находятся в непрерывном хаотическом движении.

3. Электрический ток в металле образуется только за счет упорядоченного движения свободных электронов.

   Опираясь на данную  теорию, удалось объяснить основные законы электрического тока в металлах.  Исходя из электронной теории, можно найти связь между силой тока в металлах и скоростью движения электронов.

Сила тока равна произведению заряда электрона, их концентрации, площади сечения проводника и средней скорости движения электронов:                   

Отсюда   

        По формуле можно найти среднюю скорость движения электронов.

Если в эту формулу подставлять числовые данные силы тока, концентрации и площади сечения для разных металлов, то мы увидим, что средняя скорость движения электронов составляет  всего  лишь какие-то доли миллиметра в секунду. Когда  говорят  о скорости распространения тока, имеют в виду скорость распространения электрического поля в проводнике, которое равно скорости света.

На силу тока в проводнике влияет и сопротивление проводника. Опыт показывает, что сопротивление металлов зависит от температуры. Увеличение сопротивления можно объяснить тем, при повышении температуры увеличивается скорость и амплитуда хаотического движения ионов кристаллической решетки металла и свободных электронов. Это приводит к более частым их соударениям, что затрудняет направленное движение электронов, то есть увеличивает электрическое сопротивление.

Зависимость сопротивления металлов от температуры выражается формулой:

,

где   

        При нагревании размеры проводника практически не меняются, в основном меняется удельное сопротивление. Учет зависимости сопротивления от температуры используется в термометрах сопротивления.

Формула зависимости удельного сопротивления металлического проводника от температуры имеет вид:

где ρ₀ - удельное сопротивление при 0 градусов,

t - температура,

α - температурный коэффициент сопротивления.

Графиком зависимости ⍴(t) является  прямая.

Хотя коэффициент α довольно мал, учет зависимости сопротивления от температуры при расчете нагревательных приборов совершенно необходим.

      При понижении температуры сопротивление металлов должно уменьшаться. В 1911 году датский физик Х. Каммерлинг - Оннес открыл явление, названное сверхпроводимостью. Исследуя зависимость сопротивления ртути от температуры, он обнаружил, что при температуре 4,12 К сопротивление ртути исчезает. В сверхпроводящее состояние могут перейти многие химические соединения и сплавы. Некоторые вещества, переходящие при низких температурах в сверхпроводящее состояние, не являются проводниками при обычных температурах.

Вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии, приобретают новые свойства. Наиболее важным из них является способность длительное время (многие годы) поддерживать без затухания электрический ток в проводниках.

Классическая электронная теория не способна объяснить явление сверхпроводимости. Теоретическое объяснение явления сверхпроводимости на основе квантово-механических представлений было дано учеными Дж. Бардиным, Дж. Шриффером (США) и Н. Н. Боголюбовым (СССР) в 1957 г. В 1986 году была обнаружена высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К).

В настоящее время ведутся интенсивные работы по поиску новых веществ, переходящими в сверхпроводящее состояние при более высокой температуре. Ученые надеются получить вещество в сверхпроводящем состоянии при комнатной температуре. Если удастся создать сверхпроводник при нормальной температуре, то будет решена проблема передачи электроэнергии по проводам без потерь.

Следует отметить, что до настоящего времени механизм высокотемпературной сверхпроводимости керамических материалов до конца не выяснен.

Открытие вещества, переходящего в сверхпроводящее состояние при комнатной температуре, позволило бы упростить решение многих технических вопросов.

 Во-первых, отсутствие сопротивления означает отсутствие каких-либо потерь на нагревании. Отсутствие нагревания и потерь энергии на него чрезвычайно важно для электродвигателей и электронной вычислительной техники, а также для передачи электроэнергии.

В сверхпроводниках из-за отсутствия сопротивления протекают чрезвычайно высокие токи, создающие сильные магнитные поля, что может применяться при термоядерном синтезе для удержания высокотемпературной плазмы в реакторе.

На сегодняшний момент в некоторых странах существует железнодорожная сеть с поездами на магнитной подушке. После открытия сверхпроводимости Камерлинг-Оннес, пытаясь создать сверхпроводящий электромагнит, обнаружил, что изменение тока, или же магнитные поля, разрушают эффект сверхпроводимости. Только к середине двадцатого века удалось создать сверхпроводящие электромагниты. На данный момент продолжаются исследования по изучению высокотемпературной сверхпроводимости.

Разбор типовых тренировочных заданий

1. Сопротивление железного проводника при 0 ⁰ С и 600 ⁰С равны соответственно 2 Ом и 10 Ом. Каков температурный коэффициент железа?

Решение:

Зависимость сопротивления металлов от температуры определяется формулой

 Из этой  формулы выразим температурный коэффициент железа – α

После подстановки числовых данных получаем                 

ЗАДАНИЕ

1. Ответить на вопросы теста. Вы сможете на него ответить, если внимательно прочитаете изложенный конспект.

1. В обычных условиях металлы электрически нейтральны. Это объясняется тем, что у них:
а) отрицательный заряд всех свободных электронов по абсолютному значению равен положительному заряду всех ионов
б) число отрицательных ионов равно по абсолютному значению числу положительных ионов
в) плохая электропроводимость

2. Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение:
а) ионов
б) электронов
в) протонов

3. Для того чтобы в проводнике возник электрический ток, необходимо:
а) наличие в нем электрических зарядов
б) иметь потребителя электрической энергии
в) создать в нем электрическое поле

4. При прохождении тока через электролит положительно заряженные ионы перемещаются к:
а) катоду
б) аноду
в) протону

5. Какое действие тока используется в электрических лампах:
а) магнитное
б) химическое
в) тепловое

6. За направление электрического тока условно принимают то направление, по которому движутся в проводнике:
а) электроны
б) положительные заряды
в) положительные и отрицательные ионы

7. В каком году были обнаружены материалы, обладающие сверхпроводимостью при температурах около -100 градусов С:
а) 1980
б) 1987
в) 1986

8. Какими носителями электрического заряда создается ток в металлах:
а) только электронами
б) ионами
в) электронами и ионами

9. Какое действие электрического тока сопровождает прохождение тока через металлы:
а) химическое
б) только магнитное
в) тепловое +

10. Какие еще (кроме свободных электронов) заряженные частицы имеются в металлах:
а) атомы
б) положительные ионы
в) отрицательные ионы

11. Где они находятся в металлах:
а) в узлах кристаллической решетки
б) каждый на определенном месте
в) на постоянном для каждого месте

12. Кристаллическая решетка металла, образуемая ионами, имеет положительный заряд. Почему же металлы электрически нейтральны:
а) потому что общий отрицательный заряд всех свободных электронов равен всему положительному заряду ионов
б) потому что свободные электроны в металле, двигаясь хаотично, попадают на поверхность и экранируют положительный заряд решетки
в) потому что ионы сохраняют свое местоположение в твер­дом теле

13. При каком условии в металлическом проводнике возникает электрический ток:
а) при появлении в нем свободных электронов
б) при создании в нем электрического поля
в) в случае перехода хаотического движения свободных электронов в упорядоченное движение

14. Движение каких заряженных частиц в электрическом поле принято за направление тока:
а) электронов
б) частиц с положительным зарядом +
в) частиц с отрицательным зарядом

15. Опыты показывают, что при протекании тока по металлическому проводнику перенос вещества:
а) происходит редко
б) происходит
в) не происходит

16. Наиболее убедительное доказательство электронной природы тока в металлах было получено в опытах с:
а) инерцией электронов
б) инерцией ионов
в) инерцией протонов

17. Идея таких опытов и первые качественные результаты (1913 г.) принадлежит русскому физику:
а) Попову
б) Папалекси
в) Ватутину

18. Катушка с большим числом витков тонкой проволоки приводилась в быстрое вращение вокруг:
а) стержня
б) другой катушки
в) своей оси

19. Высокочувствительный прибор для измерения силы малых постоянных электрических токов:
а) амперметр
б) гальванометр
в) вольтметр

20. Еще в этом году немецкий ученый П. Друде на основании гипотезы о существовании свободных электронов в металлах создал электронную теорию проводимости металлов:
а) 1900
б) 1910
в) 1890

21. Из-за взаимодействия с ионами электроны могут:
а) оставаться в металле надолго
б) притянуть другой металл
в) покинуть металл

22. Как ионы, образующие решетку, так и электроны участвуют в:
а) тепловом движении +
б) электрическом движении
в) постоянном движении

23. Согласно теории Друде–Лоренца, электроны обладают такой же средней энергией теплового движения, как и молекулы одноатомного идеального(ой):
а) жидкости
б) газа
в) вещества

   Полупроводник - это вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры., а это значит, что электрическая проводимость (1/R ) увеличивается. - наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Механизм проводимости у полупроводников.   Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет и он ведет себя как диэлектрик.                              

  Полупроводники чистые (без примесей)

Если полупроводник чистый( без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика. Собственная проводимость бывает двух видов:

1. электронная ( проводимость "n " - типа)  При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны - сопротивление уменьшается. Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического .поля. Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

 2. дырочная (проводимость " p"- типа).  При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном - "дырка". Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда. Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля. Кроме нагревания  разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость ) и действием сильных электрических полей

 

 Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей "p" и "n" -типов и называется электронно-дырочной проводимостью

 Полупроводники при наличии примесей - у них существует собственная + примесная проводимость  Наличие примесей сильно увеличивает проводимость. При изменении концентрации примесей изменяется число носителей элктричского тока.- электронов и дырок. Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют:

 1) донорные примеси (отдающие) - являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике. Это проводники " n " - типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда - электроны, а неосновной - дырки. Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью

Например - мышьяк.

 

2. акцепторные примеси ( принимающие ) - создают "дырки", забирая в себя электроны. Это полупроводники " p "- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда - дырки, а неосновной - электроны. Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью.

 
Например - индий.

 Электрические свойства "p-n" перехода. 

 "p-n" переход (или электронно-дырочный переход) - область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот). В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области.

  В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника.              

      Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя. При прямом (пропускном) направлении внешнего эл.поля эл.ток проходит через границу двух полупроводников. Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

 Пропускной режим р-n перехода

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет. Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

 Запирающий режим р-n перехода:

 Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью. Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним "p-n" переходом называется полупроводниковым диодом.

 При наложении элктричского .поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, обратном - сопротивление мало.

 

Полупроводниковые диоды - основные элементы выпрямителей переменного тока.

Полупроводниковые транзисторы - также используются свойства" р-n "переходов, - транзисторы используются в схемотехнике  радиоэлектронных приборов.

ЗАДАНИЕ:

1. ВНИМАТЕЛЬНО ПРОЧТИТЕ, СДЕЛАЙТЕ КОНСПЕКТ В ТЕТРАДИ.

2.ВЫПОЛНИТЕ ТЕСТ (любой из вариантов)

ТЕСТ    « ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В  ПОЛУПРОВОДНИКАХ»

ВАРИАНТ №1

1.Сопротивление увеличивается при нагревании у 1)ртути, германия, железа; 2) азота, ртути, железа;

3)ртути, железа, цинка; 4)цинка, германия ,азота.

2.При добавлении донорной примеси в кремний его проводимость становится 1)дырочной ,а полупроводник становится полупроводником р-типа; 2) электронной ,а полупроводник становится полупроводником n-типа;

3) электронной ,а полупроводник становится полупроводником р-типа;

4)дырочной ,а полупроводник становится полупроводником n-типа.

3.Валентность фосфора равна 5.Его можно использовать в качестве

1)донорной примеси; 2) акцепторной примеси; 3) полупроводника.

4. Если р-n-переход надо закрыть, следует область n-типа подключить к

1)отрицательному полюсу источника тока; 2) положительному полюсу источника тока.

5. В качестве выпрямителя можно использовать 1)транзистор; 2)светодиод; 3)диод

 

ВАРИАНТ №2

1.Сопротивление уменьшается при охлаждении у 1) германия, железа; 2)кремния , железа;

3)ртути, цинка; 4)кремния , германия.

2. В полупроводниках n-типа имеется 1) донорная примесь, в результате чего проводимость становится дырочной ;

2) донорная примесь, в результате чего проводимость становится электронной ;

3) акцепторная примесь, в результате чего проводимость становится дырочной ;

4) акцепторная примесь, в результате чего проводимость становится электронной.

3.Преимущественно дырочную проводимость полупроводнику обеспечит введение

1) акцепторной примеси с валентностью <4; 2) акцепторной примеси с валентностью >4;

3) донорной примеси с валентностью <4; 4) донорной примеси с валентностью >4; .

4. Если р-n-переход надо открыть, следует область n-типа подключить к

1)положительному полюсу источника тока; 2) отрицательному полюсу источника тока.

5. Односторонней проводимостью обладает 1)транзистор; 2)светодиод; 3)диод

 ВАРИАНТ №3

1.Сопротивление увеличивается при охлаждении у 1)ртути, германия; 2) ртути, железа;

3)германия, кремния; 4)кремния ,железа.

2.При добавлении акцепторной примеси в германий его проводимость становится 1)дырочной ,а полупроводник становится полупроводником n-типа; 2) дырочной , а полупроводник становится полупроводником р-типа;

3) электронной ,а полупроводник становится полупроводником р-типа;

4) электронной ,а полупроводник становится полупроводником n-типа.

3.Валентность индия равна 3.Его можно использовать в качестве 1)акцепторной примеси; 2)донорной примеси.;

3) полупроводника.

4. Если р-n-переход надо открыть, следует область р-типа подключить к

1)отрицательному полюсу источника тока; 2) положительному полюсу источника тока.

5. В качестве усилителя можно использовать 1)диод; 2)светодиод; 3)транзистор.

 

ВАРИАНТ №4

1.Сопротивление уменьшается при нагревании у 1) германия, железа; 2) цинка, железа;

3)кремния , германия; 4)ртути, цинка;

2. В полупроводниках р-типа имеется 1) донорная примесь, в результате чего проводимость становится дырочной ;

2) акцепторная примесь, в результате чего проводимость становится дырочной ;

3) донорная примесь, в результате чего проводимость становится электронной ;

4) акцепторная примесь, в результате чего проводимость становится электронной.

3.Преимущественно электронную проводимость полупроводнику обеспечит введение

1) донорной примеси с валентностью >4; 2) акцепторной примеси с валентностью >4;

3) донорной примеси с валентностью <4; 4) акцепторной примеси с валентностью <4.

4. Если р-n-переход надо закрыть, следует область р-типа подключить к

1)положительному полюсу источника тока; 2) отрицательному полюсу источника тока.

5. Устройством с двумя р-n-переходами является 1)светодиод; 2) диод; 3)

УРОК №11-12

13.10.2022  ГРУППА 306. ФИЗИКА. ТЕМА «Закон Джоуля-Ленца и его применение»

       При прохождении электрического тока по проводнику он нагревается. Это происходит потому, что перемещающиеся под действием электрического поля свободные электроны в металлах и ионы в растворах электролитов сталкиваются с молекулами или атомами проводников и передают им свою энергию.

Таким образом, при совершении током работы увеличивается внутренняя энергия проводника, в нём выделяется некоторое количество теплоты, равное работе тока, и проводник нагревается:

Q = А или Q = IUt. Учитывая, что U = IR, в результате получаем формулу:

Q = I²Rt , где

Q — количество выделяемой теплоты (в Джоулях)
I — сила тока (в Амперах)
R — сопротивление проводника (в Омах)
t — время прохождения

Закон Джоуля–Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.

В XIX в. независимо друг от друга англичанин Д. Джоуль и россиянин Э. Ленц изучали нагревание проводников при прохождении электрического тока и опытным путём обнаружили закономерность: количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени: Q = I²Rt  (в случае постоянных силы тока и сопротивления). Эту закономерность называют законом Джоуля-Ленца. Данный закон дает количественную оценку теплового действия электрического тока.

Применяя закон Ома, можно получить эквивалентные формулы: Q = IUt,  Q= U²t/R

Где применяется закон Джоуля-Ленца ?

1. Например, в лампах накаливания и в электронагревательных приборах применяется закон Джоуля-Ленца. В них используют нагревательный элемент, который является проводником с высоким сопротивлением. За счет этого элемента можно добиться локализованного выделения тепла на определенном участке. Выделение тепла будет появляться при повышении сопротивления, увеличении длины проводника, выбором определенного сплава.

2. Одной из областей применения закона Джоуля-Ленца является снижение потерь энергии. Тепловое действие силы тока ведет к потерям энергии. При передаче электроэнергии, передаваемая мощность линейно зависит от напряжения и силы тока, а сила нагрева зависит от силы тока квадратично, поэтому если повышать напряжение, при этом понижая силу тока перед подачей электроэнергии, то это будет более выгодно. Но повышение напряжения ведет к снижению электробезопасности. Для повышения уровня электробезопасности повышают сопротивление нагрузки соответственно повышению напряжения в сети.

3. Также закон Джоуля-Ленца влияет на выбор проводов для цепей.

Потому что при неправильном подборе проводов возможен сильный нагрев проводника, а также его возгорание. Это происходит когда сила тока превышает предельно допустимые значения и выделяется слишком много энергии.

Нагревание проводов является вредным, поскольку приводит к потерям электроэнергии при передаче ее от источника к потребителю. Для уменьшения этих потерь силу тока уменьшают, повышая напряжение источника с тем, чтобы передаваемая мощность осталась прежней. Чтобы избежать электрического пробоя изоляции проводов, их поднимают на большую высоту на мачтах высоковольтных линий электропередач, связывающих крупные

 

 Рабочая карточка урока

1.   Написать как обозначают и в каких единицах измеряют:

• Силу тока:
• Напряжение:
• Сопротивление:
• Работа электрического тока:
• Количество теплоты:

Задача № 1.  Какое количество теплоты выделит за 20 мин спираль электроплитки сопротивлением 25 Ом, если сила тока в цепи 1,2 А?

 

Задача 2.  Сколько времени нагревалась проволока с сопротивлением 20 Ом, если при силе тока в 1А в ней выделилось 6 кДж теплоты.

РЕШИТЕ САМОСТОЯТЕЛЬНО:

Задача.

Задача3. Сколько времени нагревалась проволока с сопротивлением 20 Ом, если при силе тока в 1А в ней выделилось 6 кДж теплоты?

УРОК №10

06.10.2022.  ГРУППА 406. ФИЗИКА. ТЕМА "Работа и мощность электрического тока"

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о том, что заряженные тела взаимодействуют друг с другом посредством особого вида материи, которую называют электрическим полем. Примером такого взаимодействия может служить электрический ток, то есть упорядоченное движение заряженных частиц, которое создаётся электрическим полем. Следовательно, электрическое поле способно совершать работу, которую называют работой тока.

Давайте вспомним, что в общем случае под работой понимают скалярную физическую величину, которая описывает действие силы (заметьте, именно силы, а не те́ла), приводящее к изменению значения скорости рассматриваемого тела.

Из этого становится очевидным, что термин «работа тока» — это своеобразный жаргонизм, с которым вы уже неоднократно сталкивались. Работа тока — это, говоря строгим языком физики, работа электрически сил, которые, перемещая заряженные частицы, увеличивают их скорость, а значит и кинетическую энергию.

Мы уже с вами знаем, что работа по переносу электрического заряда в электрическом поле оценивается произведением величины перенесённого заряда на величину разности потенциалов между начальной и конечной точками переноса, то есть на величину напряжения:

A = ΔqU.

Очевидно, что это соотношение может быть применимо и для оценки работы тока. Однако эта формула имеет неудобство в связи с тем, что и ней фигурирует перенесённый в электрическом поле заряд, измерение которого требует особых методов. Поэтому удобнее расписать этот заряд, используя формулу силы тока:

Такая запись приводит нас к удобной формуле для определения работы электрического тока: работа тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения и времени, в течение которого шёл ток:

A = IUΔt.

 Единицей работы тока, как вы догадались, является джоуль. Эту единицу можно выразить через электрические единицы — ампер и вольт:

1 Дж = 1 А ∙ 1 В ∙ 1 с.

Для измерения работы тока в реальной жизни пользуются специальными приборами — счётчиками электрической энергии, которые сейчас можно увидеть в каждом доме. Однако в них работу тока принято выражать не в джоулях, а в киловатт-часах (1 кВт ∙ час = 3,6 ∙ 10⁶ Дж).

Применяя к потребителю электротока закон Ома, можно из основной формулы работы получить ещё два варианта, исключив в первом случае из формулы напряжение, а во-втором — силу тока:

Получив формулу для работы электрического тока, мы легко получим и формулу для мощности тока. Ведь в любом случае мощность есть отношение работы ко времени её совершения:

Напомним, что единицей измерения мощности является ватт.

А для измерения мощности электрического тока в цепи используют специальные приборы, называемые ваттметрами.

Давайте для примера решим с вами такую задачу. Два потребителя, сопротивления которых равны R₁ и R₂ подключают к сети постоянного тока сначала последовательно, а потом — параллельно. В каком случае потребляется большая мощность от сети?

На одном из прошлых уроков мы с вами говорили о действиях электрического тока, которые он способен оказывать, протекая в различных средах. Давайте с вами вспомним, что тепловое действие тока проявляется в том, что при протекании тока по проводнику последний нагревается.

Химическое действие тока мы можем наблюдать при его прохождении через растворы солей, кислот или щелочей.

А магнитное действие тока проявляется в создании им магнитного поля.

Также мы с вами говорили о том, что тепловое действие ток производит в любой среде: твёрдой, жидкой и газообразной. Например, нагревание проводника происходит потому, что разогнавшиеся под действием электрического поля свободные носители зарядов — электроны — сталкиваются с ионами кристаллической решётки проводника и отдают им часть своей энергии. В результате энергия теплового движения ионов около положений равновесия возрастает. То есть происходит переход энергии электрического поля во внутреннюю энергию проводника.

При этом, очевидно, что чем больше будет сопротивление проводника, тем большее количество теплоты в нём выделится при протекании электрического тока одной и той же силы.

Это легко проверить на простом опыте. Возьмём три последовательно соединённых проводника, изготовленных из разных материалов, например, из нихрома, никелина и меди, и подключим их к источнику постоянного тока.

Спустя некоторое время мы заметим, нихромовый проводник нагрелся почти до белого каления, никелиновый — лишь слегка покраснел, а вот медный проводник практически не изменил свой цвет.

Таким образом, действительно, чем больше сопротивление проводника, тем «труднее» двигаться зарядам в нём и тем больше нагревается проводник.

В 1841 году английский учёный Джеймс Прескотт Джоуль и независимо от него в 1842 году российский учёный Эмилий Христианович Ленц, изучая на опыте тепловые действия тока установили закон, позволяющий рассчитать количество теплоты, выделяемое в проводнике при протекании в нём электрического тока. Согласно этому закону, количество теплоты, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, проходящего по проводнику, сопротивлению проводника и времени, в течение которого поддерживается неизменный ток в проводнике.

Проверим его справедливость с помощью такого опыта. Возьмём калориметр, содержащий 100 мл миллилитров воды при температуре 18 ^оС, и поместим в неё проводник в виде спиральки известного сопротивления. Концы проводника включим в цепь, состоящую из источника тока, амперметра и ключа. С помощью секундомера будем засекать время эксперимента.

Замкнув ключ, подождём пока температура воды в калориметре не повысится на 10 ^оС.

Теперь рассчитаем количество теплоты, полученное водой, используя для этого известную нам формулу из термодинамики:        Q = cm ∆t

Здесь c — это удельная теплоёмкость воды; m — её масса; а Δt — изменение температуры воды. Тогда после подстановки чисел и простых расчётов, получаем, что вода получила от нагревателя 4200 Дж теплоты.

Теперь определим количество теплоты, выделившееся в проводнике, используя для этого закон Джоуля — Ленца:   

Подставив в полученное уравнение данные наших опытов, найдём, что за время эксперимента в проводнике выделились те же 4200 Дж теплоты. Это подтверждает правоту закона Джоуля — Ленца.

Формулой Q = I²RΔt удобно пользоваться при расчёте количества теплоты, которое выделяется в проводниках при последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот же.

При параллельном же соединении проводников ток в них различен, а вот напряжение на концах этих проводников одно и то же. Поэтому расчёт количества теплоты при таком соединении удобнее вести по формуле: Q = U²Δt / R.

Эта формула показывает, что при параллельном соединении в каждом проводнике выделяется количество теплоты, обратно пропорциональное сопротивлению проводника.

ЗАДАНИЕ:

Составьте конспект сообщения.

 УРОК № 9

06.10.2022г. ГРУППА 406. ФИЗИКА.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

«ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ С ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ И ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ СОЕДИНЕНИЕМ ПРОВОДНИКОВ.»

 Цель: проверить соотношения, которые выполняются в случаях последовательного и параллельного соединения проводников.

Оборудование:  источник постоянного тока, вольтметр, амперметр, три резистора, ключ, соединительные провода.

 В данной работе исследуются электрические цепи с последовательным и параллельным соединением двух резисторов. В ходе проведения опытов сначала собирают соответствующие цепи, а затем, используя амперметр для измерения силы тока и вольтметр для измерения напряжения, проверяют соответствующие соотношения.

В случае последовательного соединения резисторов проверке подлежат следующие соотношения:

1. I₁ = I₂ =I, где I – общая сила тока в цепи;  I₁ и  I₂ – сила тока в первом и втором резисторах соответственно.

2. U = U₁ =U₂, где   U   -общее напряжение на резисторах;  U₁ и U₂ - напряжение на первом и втором резисторах 

3. R = R₁ + R₂, где    - общее сопротивление двух резисторов; R₁ и R₂ - сопротивление первого и второго резистора

 

 

      В случае параллельного соединения резисторов проверке подлежат следующие соотношения:

1. U = U₁ =U₂, где   U – общее напряжение на резисторах; U₁ и U₂       напряжение на первом и втором резисторе;

2. I = I₁ + I₂, где I   - сила тока в не разветвлённой части цепи; I₁ и I₂ - сила тока в первом и втором резисторах соответственно;

3. 1/R  = 1/R ₁  + 1/ R ₂, где  - общее сопротивление двух резисторов; R₁ и R₂  - сопротивления первого и второго резисторов.

 

                                            Ход работы

Начертили схемы двух электрических цепей, состоящих: первая – из двух последовательно соединённых резисторов, источника тока и ключа (вспомните изображения этих составляющих цепь); вторая из двух параллельно соединённых резисторов, которые через ключ подключены к источнику тока.

Опыт 1.Исследование электрической цепи с последовательным соединением резисторов.

1. Собрали электрическую цепь по схеме 1.

2. Измерили силу тока, включая амперметр сначала между ключом и первым резистором ( I   ), потом между вторым резистором и источником тока ( I₁ ), а затем между источником тока и ключом ( I₂ )

3. Результаты измерений и вывод записали в таблицу.

I1  ,  A	I2  ,    A	I ,     A	Вывод
			При последовательном соединении резисторов сила тока остаётся постоянной
1 ,2	1, 2	1, 2	I = I1 + I2

 

4. Измерили напряжение, подключив вольтметр сначала к клеммам первого резистора ( U₁ ), а потом к клеммам второго  ( U₂ ), а затем к клемме первого резистора и второй клемме второго резистора (U  ).

Результаты измерений занесли в таблицу 2.   Потом по результатам измерений нашли сумму напряжений   U₁ + U₂  и сравнили её с напряжением   , которое измерили на обоих последовательно соединённых резисторах. Записали вывод.

 

U1 ,   B	U2 ,    B	U,     B	(U1 + U2) ,   B	Вывод
				При последовательном соединении
6	6	12	12	Резисторов падение напряжения в цепи равно сумме падений напряжения на каждом резисторе.    U = U1 + U2

 

5. Учитывая закон Ома для участка цепи и используя данные таблиц, вычислили сопротивление первого, второго резисторов и общее сопротивление двух резисторов, соединённых последовательно. Результаты занесли в таблицу и сделали вывод.

R₁=U₁ / I₁  = 6/ 1, 2 =5            R₂ = U₂ / I₂   =6/1,2 =5              R = U / I =12 / 1,2=10

Вывод: При последовательном соединении резисторов общее сопротивление равно сумме сопротивлений на каждом резисторе, что соответствует расчетам: 10 Ом = 10 Ом.

Относительная погрешность έ равна:

έ = 1 –(R₁ + R₂)/R∙ 100% = 1 – (5 +5)/10 ∙100 = 0 %

 

Опыт 2. Исследование электрической цепи с параллельным соединением резисторов.

 

1. Собрали электрическую цепь 2.

2. Измерили напряжение на резисторах.

3. Измерили силу тока, проходящего в не разветвлённом участке цепи, затем силу тока в первом и втором резисторах. Результаты измерений занесли в таблицу.

4. По результатам измерения нашли сумму токов I₁  + I₂ и сравнили с силой тока, которую измерили в не разветвлённом участке цепи. Записали вывод.

 

I1    A	I2     A	I      A	(I1 + I2)      A	Вывод
0,8	0,4	1,2	1,2	При параллельном соединении резисторов напряжение на участке Цепи и на каждом резисторе остаётся постоянным. А  сила тока равна сумме токов на каждом резисторе:      I = I1 + I2

 

5. Применяя закон Ома и, используя данные измерений, вычислили сопротивление первого и второго резисторов, а также общее сопротивление:

 R₁ = U₁ / I₁= 12/0,8=15 Ом;  R₂ = 12/0,4 =30 Ом;  R = R₁∙ R₂ / R₁ +R₂ =15 ∙30/45 =

= 450/45 =10 Ом

R = U/ I =12/1,2 10 Ом

10 Ом= 10 Ом

 

Вывод: Мы экспериментально проверили соотношения, которые выполняются в случаях последовательного и параллельного соединения резисторов.

 Контрольные вопросы:

1. В каком случае сила тока в цепи, состоящей из двух лампочек и источника тока, будет больше: когда лампочки соединены последовательно или параллельно? Ответ обоснуйте.

2. Какое соединение потребителей электроэнергии, по вашему мнению, необходимо использовать в квартирной электропроводке? Почему?

 Ребята, пожалуйста, лабораторную оформляете на листках, которые я вставлю в ваши тетради для лабораторных работ.

При оформлении, как всегда, записываете тему работы, цель, оборудование, ход работы и вычисления. Пишите вывод, исходя из цели. Отвечаете на контрольные вопросы.

Кому не понятно, переписываете всё, кроме теоретической части после оборудования и до хода работы.

ЖЕЛАЮ УСПЕХА!

УРОК № 8

 ГРУППА 406 Тема   «Последовательное и параллельное соединение проводников» 

        1. Последовательное соединение проводников

Соединение проводников называют последовательным, если оно не содержит разветвлений, т.е. проводники расположены последовательно один за другим.

Рассмотрим участок цепи, содержащий два резисторы:

1. Сила тока в каждом из проводников одинакова: І1 = І2 = I.

2. Напряжение на двух проводниках: U = U1 + U2.

3. Общее сопротивление проводников: R = R1 + R2.

4.При  последовательном соединении двух проводников напряжение на каждом проводнике прямо пропорциональна его сопротивлению: 

При последовательном соединении n проводников выполняются следующие соотношения:

Необходимо обратить внимание:

• общее сопротивление проводников, соединенных последовательно, больше сопротивления каждого из этих проводников;

• общее сопротивление R последовательно соединенных проводников, каждый из которых имеет сопротивление R', равен R = nR', где n - число проводников.

2. Параллельное соединение проводников

Соединение проводников называют параллельным, если для протекания тока есть два или более пути ветки и все эти ветви имеют одну пару общих точек - узлов.

В узлах происходит разветвление цепи (в каждом узле соединяются не менее трех проводов). Таким образом, разветвление является характерным признаком цепи с параллельным соединением проводников.

Рассмотрим участок цепи, содержащий два параллельно соединенных резисторов:

1. Общее напряжение на участке и напряжение на каждом из двух резисторов одинаковы: U = U1 = U2.

2. Сила тока в неразветвлённой части цепи равна сумме сил токов в отдельных ветвях: I = I1 + I2.

3. Общее сопротивление проводников: 

4. В случае параллельного соединения двух проводников сила тока в каждой ветви обратно пропорциональна ее сопротивлению: 

При параллельном соединении  проводников выполняются следующие соотношения:

Необходимо обратить внимание:

• общее сопротивление проводников, соединенных параллельно, меньше сопротивления каждого из этих проводников;

• общее сопротивление R параллельно соединенных проводников, каждый из которых имеет сопротивление R' , равен R = R’/n , где n - число проводников.

В случае двух проводников их общее сопротивление 

3. Измерения силы тока и напряжения

Для измерения силы тока и напряжения используют рассмотренные выше соединения. Так, например, во время измерения силы тока в резисторе сила тока в амперметре должна быть такой же, как и в резисторе. Следовательно, амперметр стоит присоединять последовательно к резистору. Включение амперметра для измерения силы тока не должно существенно изменять эту силу тока. Следовательно, сопротивление участка цепи после включения амперметра (R + RA) должен быть очень близким к сопротивлению резистора R, а для этого сопротивление амперметра должен быть намного меньше, чем сопротивление резистора: RA R. Такой маленький сопротивление делает амперметр очень «уязвимым»: амперметр нельзя подключать напрямую к источнику тока без нагрузки, потому что через маленькое сопротивление сила тока в амперметрі будет слишком большой и он выйдет из строя.

Измеряя напряжение на резисторе с помощью вольтметра, напряжение на вольтметре должна быть такой же, как на резисторе. Поэтому вольтметр следует подключать к резистору параллельно. Общее сопротивление Ryч участка цепи в этом случае не может существенно отличаться от сопротивления R резистора. Из соотношения следует, что то есть RV >> R.

Следовательно, сопротивление вольтметра должно быть очень значительным. Поэтому его можно подключать непосредственно к источнику тока.

 

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Какое соединение проводников называют последовательным?

2. Какое соединение проводников называют параллельным?

3. Какая из электрических величин одинакова для всех проводников, соединенных последовательно? параллельно?

4. Какое сопротивление должен иметь амперметр? вольтметр?

Второй уровень

1. Три проводника, сопротивления которых R, 2R и 3R, включили в круг последовательно. Одинаковой силы ток пройдет по этих проводниках? Одинаковая ли напряжение на каждом из них?

2. Три проводника, сопротивления которых R, 2R и 3R, включили в круг параллельно. Одинаковая ли напряжение на каждом из них? Одинаковой силы ток пройдет по этих проводниках?

 ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Елочная гирлянда спаяна из лампочек для карманного фонарика. При включении этой гирлянды в сеть на каждую из лампочек приходится напряжение 6 В. Почему же опасно, выкрутив одну из лампочек, сунуть в патрон палец?

2. Кусок проволоки разрезали на две части и скрутили по всей длине вместе. Как изменилось сопротивление проволоки?

3. Ученик, измеряя силу тока в лампочке, по ошибке включил вольтметр вместо амперметра. Что при этом произошло?

2). Учимся решать задачи

1. Четыре одинаковых резисторы соединили сначала последовательно, а затем параллельно. За которого соединение общее сопротивление резисторов больше? Во сколько раз?

2. Пять резисторов соединены так, как показано на рисунке. Определите общее сопротивление цепи, если

3. На рисунке приведена схема участка электрической цепи. Определите общее сопротивление этого участка.

 

ЧТО МЫ УЗНАЛИ

 Во время последовательного соединения:

 Во время параллельного соединения:

6

 ЗАДАНИЕ:

1. Запишите определения:

а ) какое соединение называется последовательным? Зарисуйте схему этого соединения.

Б) Чему равны общая сила тока, напряжение и сопротивление? Запишите формулы.

В) какое соединение называется параллельным? Зарисуйте схему этого соединения. Запишите чему равны сила тока, напряжение и сопротивление при параллельном соединении? Запишите формулы

2. Решите задачу

Два резистора с сопротивлением R₁  = R₀ и   R₂ = 2R₀ соединены параллельно. Найти общее сопротивление участка.

УРОК № 7

29.09.2022г. ГРУППА  406. ФИЗИКА. «РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ «ЗАКОНЫ ОМА»

    Сегодня мы разберем методики решения нескольких задач, касающихся всех ключевых тем этой главы: правил соединения, законов Ома, работы тока.

Задача №1

Условие

Какова длина медного цилиндрического проводника, если при его подключении в цепь с напряжением 1 В на 15 секунд его температура увеличилась на 10 К?

Решение

Так как ничего не сказано о каком либо другом действии тока, значит, считаем, что вся энергия тока идет в выделение тепла. Пользуясь знаниями из раздела молекулярной физики, запишем, какое количество теплоты требуется для нагревания указанного количества меди на указанное количество градусов:

Здесь:  с– удельная теплоемкость меди (табл. 1); m – масса провода;  – прирост температуры.

Табл. 1. Удельная теплоемкость некоторых веществ

     C другой стороны запишем то же самое количество теплоты, но с учетом того, что именно столько выделилось в проводах в результате протекания тока. То есть воспользуемся законом Джоуля-Ленца:

Но с учетом того, какие данные нам известны по условию, целесообразнее будет записать эту формулу в виде:

Так как эти две величины являются одним и тем же, только записанным в разном виде (сколько тепла выделилось при прохождении тока, столько и пошло на нагревание медных проводов, потерями в окружающую среду можем пренебречь), приравняем их:

Распишем теперь все неизвестные множители на известные или табличные величины.

Распишем массу меди как:

Здесь: d – плотность меди (табл. 2); v – объем проводника.

Табл. 2. Плотность некоторых твердых тел

Так как проводник цилиндрический, можем расписать объем:

Здесь:  s – площадь сечения проводника; L – его длина.

Также следует расписать сопротивление цилиндрического проводника по соответствующей формуле:

Здесь: ρ – удельное сопротивление меди (табл. 3).

Табл. 3. Удельное сопротивление некоторых веществ

Подставим теперь все формулы в главное уравнение:

Сократив площадь сечения и выразив длину из этого выражения, мы получим формулу для финального подсчета:

Подставив данные из условия и табличные данные, получаем:

Ответ: 5,1 м

Задача № 2

Условие

В схеме, указанной на рисунке, ключ переключается между двумя резисторами, сопротивления которых равны , . Причем известно, что выделяемая мощность в одном и другом случае одинакова. Найти внутреннее сопротивление источника.

Рис. 4. Схема к задаче № 2

Решение

Для составления базового уравнения воспользуемся тем фактом, что мощность на каждом резисторе одна и та же:

И воспользуемся формулой для мощности в удобном для нас виде:

Теперь воспользуемся законом Ома для полной цепи, чтобы расписать силу тока:

После сокращения одинаковой ЭДС получим уравнение с одним неизвестным:

Далее решаем математическое уравнение любым удобным способом:

Ответ:   10 Ом.

---

Электрическая цепь, содержащая электроемкость

Условие

В цепи, указанной на рисунке, между обкладками конденсатора наблюдается электрическое поле напряженностью 4 В. Определить ЭДС источника, если расстояние между пластинами конденсатора 2 мм, сопротивление резистора 8 Ом, а внутреннее сопротивление источника 1 Ом.

Рис. 5. Схема к задаче

Самое главное – помнить, что, так как на схеме показан источник постоянного тока, конденсатор на схеме эквивалентен обрыву и через него ток не идет.

Для нахождения ЭДС запишем закон Ома для полной цепи:

Из имеющихся данных становится понятно, что для нахождения ЭДС обязательно нужно знать значение силы тока в цепи. Для его нахождения мы теперь уже рассмотрим только внешнюю цепь и запишем закон Ома для участка цепи:

Так как конденсатор и резистор соединены параллельно, то на резисторе такое же напряжение, как и на конденсаторе. Последнее мы можем найти, воспользовавшись формулой из электростатики для однородного поля (которое и создается между обкладками конденсатора):

Подставим теперь все выражение в закон Ома для полной цепи:

Выразим теперь ЭДС из этого уравнения:

Ответ:   9 В.

 

РЕШИТЬ САМОСТОЯТЕЛЬНО:

1. Цепь состоит из трёх последовательно соединённых проводников, подключённых к источнику напряжением 24 В. Сопротивление первого проводника 4 Ом, второго – 6 В.

Найти силу тока в цепи, сопротивление третьего проводника и напряжение на концах первого и второго проводников.

УРОК №5    

  15 .09.2022г. .ГРУППА 406. ФИЗИКА. ТЕМА « Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи.»

 Для поддержания постоянного электрического тока в цепи необходимо подключить источник. При этом очевидно, что электростатические силы не могут поддерживать ток в цепи, так как работа этих сил по замкнутому контуру равна нулю, и кроме того, если по цепи идёт электрический ток, в ней выделяется тепло, т. е. происходят потери энергии.

 В электрической цепи должны действовать силы не электростатического (не кулоновского) происхождения (сторонние силы), работа которых по замкнутому контуру не равна нулю.

Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, действующие на заряженные частицы, называется источником электрического тока.

Источники различны по своей природе, они могут преобразовывать химическую, механическую энергию, энергию светового потока и т. д. в электрическую энергию.

Первую электрическую батарею изобрёл А. Вольта в 1800 г. и получил с её помощью постоянный электрический ток. В электрической батарее химическая энергия превращается в электрическую.

 Принципиальное устройство простейшей батареи.

 Гальванический элемент состоит из двух электродов, которые представляют собой стержни или пластины. Одним электродом может служить медь, другим — цинк. Электроды частично погружают в электролит, например, в кислоту. Кислота постепенно растворяет цинковый электрод, в кислоту переходят положительные ионы цинка, а сам электрод заряжается отрицательно. По мере перехода ионов цинка в кислоту электролит заряжается положительно. В результате этого и некоторых химических реакций электроны стекают с медного электрода, который при этом заряжается положительно.

Отрицательно заряженный электрод называется катодом, положительно заряженный — анодом. Между катодом и анодом вследствие описанных процессов возникает разность потенциалов. Значение разности потенциалов между электродами зависит от их природы и от природы электролита.

Источники тока характеризуются электродвижущей силой (ЭДС).

ЭДС равна отношению работы сторонних сил при перемещении электрического заряда по замкнутому контуру к абсолютному значению этого заряда:

Электродвижущую силу выражают в вольтах (В).

 Обычно ЭДС гальванического элемента (источника тока химического происхождения) невелика, порядка 1—2 В. Если источник отключён от внешней цепи, то разность потенциалов между клеммами, подсоединёнными к электродам источника, будет больше, чем при подключении его к цепи. Часть напряжения падает на внутреннем сопротивлении r источника тока.

Источник тока характеризуется ЭДС E и внутренним сопротивлением r. Полная электрическая цепь состоит из источника тока(,E, r) и внешнего сопротивления R.

 Закон Ома для полной цепи

Пусть за некоторое время ∆t через поперечное сечение проводника проходит заряд ∆q. Работа сторонних сил по перемещению заряда. На внутреннем и внешних участках цепи за счёт этой работы в цепи выделяется теплота:

 Q = I(R + r) t

Количество выделившейся теплоты равно совершенной работе:

Q = А. Следовательно, I(R +r) =E

 Сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС источника тока к полному сопротивлению цепи:

При коротком замыкании внешнее сопротивление оказывается равным нулю и сила тока в цепи становится максимальной:

Разбираем вместе

Вопрос 1. От каких величин зависит сила тока в цепи?

 Вопрос 2. Почему провода могут расплавиться при коротком замыкании?

3. Определите ЭДС источника тока, если сила тока в цепи равна 0,1 А. Сопротивление внешней цепи 98 Ом, внутреннее сопротивление 2 Ом.

Дано:                                  Решение

I = 0,1 А              Запишем закон Ома для полной цепи:         

R = 98 Ом           I = ξ / (R + r ) Для ЭДС получим выражение:                                           

R = 2Ом              ξ = I(R + r)

ξ -?                    Сделаем расчёт: ξ = 0,1 (98 + 2) = 10 В           Ответ: 10В .

Сделай сам. Вопросы и задачи для самостоятельного решения

1. Чему равно внешнее сопротивление, если цепь разомкнута?

Вопрос 1

Что называют внешним сопротивлением?

Варианты ответов

• А. Только сопротивление потребителей энергии, подключенных к источнику тока.
• Б. Полное сопротивление проводников, подключенных к источнику тока.
• В. Только сопротивление подводящих проводов.

Вопрос 2

Как формулируется закон Ома для замкнутой цепи?

Варианты ответов

• А. Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.
• Б. Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна сопротивлению потребителя энергии.
• В. Сила тока в замкнутой цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна внутреннему сопротивлению источника тока.

Вопрос 3

Рассчитайте силу тока в цепи, содержащей источник тока с ЭДС, равной 4,5 В, и внутренним сопротивлением 1 Ом при подключении во внешней цепи резистора с со­противлением 3,5 Ом.

Варианты ответов

• А. 1 А
• Б. 2 А
• В. 0,5 А

• .

Вопрос 6

При подключении лампочки к батарее элементов с ЭДС 4, 5 В вольтметр показал напряжение на лампочке 4 В, а амперметр — силу тока 0,25 А. Каково внутреннее сопротивление батареи?

Варианты ответов

• А. 2 Ом
• Б. 4 Ом
• В. 0,5 Ом

Вопрос 7

Аккумулятор с внутренним сопротивлением 0,2 Ом и ЭДС 2 B замкнут проволокой сечением 1 мм ² и удельным сопротивлением 10⁻⁷ Ом•м. Найдите длину проволоки, если сила тока в цепи 4 А.

Варианты ответов

• А. 6м
• Б. 4м
• В.3м
• 
  
• УРОК №3-4

 08.09.2022г.  ГРУППА 406. ФИЗИКА. ТЕМА.  «РЕШЕНИЕ  ЗАДАЧ  ПО ТЕМЕ «ЗАКОН  ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ»

Прежде,  чем приступить к решению задач, давайте вспомним, как формулируется Закон Ома для участка цепи, каковы обозначение величин: силы тока, напряжения, сопротивления и их единицы измерения. В этом вам поможет таблица:

 Обратите внимание на схему соединения амперметра и вольтметра, а также на графики зависимости: 1 –между силой тока и приложенным напряжением;  2 – между силой тока и сопротивлением проводника.

Далее приступаем к решению задач.

Задача 1.  Какова сила тока в резисторе, если его сопротивление 12 Ом, а напряжение 120 В?

Задача 2.  Сопротивление  проводника   6 Ом, а сила тока в нём  0,2 ампера. Определите   напряжение на концах проводника

Задача 3.  Определите сопротивление проводника, если при напряжении 110 В сила тока в нём 2 ампера.

Задача  4.  По графикам зависимости силы тока от напряжения определите сопротивление каждого проводника.

РЕШЕНИЕ

Задача  5.  Чему равна сила тока в электрической лампе карманного фонарика, если сопротивление нити накала равно 16,6 Ом, а лампа подключена к батарейке напряжением 2,5 В?

Ответ:  I=0,15 А

 Задача 6.   При напряжении 110 В ток проведен к резистору, сила тока в нём равна 5 А. Какова будет сила тока в резисторе, если напряжение увеличить на 10 В?

Задача 7.  Показание вольтметра, присоединённого к горящей электрической лампе накаливания, равно 120 В, а амперметра, измеряющего силу тока в лампе, 0,5 А. Чему равно сопротивление в лампе?  Начертите схему включения лампы, вольтметра и амперметра.

А теперь, пожалуйста, решите задачи самостоятельно. Это будет ваше задание.

Задача 1.  Электрический утюг включили в сеть с напряжением 220 В. Какова сила тока в нагревательном элементе утюга, если сопротивление равно 48,4 Ом?

Задача 2.  Чему равно сопротивление спирали электрической лампы, у которой на цоколе написано 6,3 В; 0,22 А?

 Задача 3.  По вольфрамовой проволоке длиной 3м протекает ток силой 0,04А. Проволока находится под напряжением 5 В. Определите величину площади поперечного сечения проволоки.

(Удельное сопротивление вольфрама ρ = 0,055 Ом∙ мм² /м )

ЖЕЛАЮ УСПЕХА!

 

УРОК №1 -2

01.09.2022г ГРУППА 406. ФИЗИКА. ТЕМА «ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК. СИЛА ТОКА»

1. При каких условиях возникает и существует электрический ток?

Свободные заряженные частицы в проводниках движутся непрерывно и хаотично. Если же свободным заряженным частицам передать еще и стремящейся движение, то через любое сечение проводника будет переноситься заряд.

Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц.

Для возникновения и существования электрического тока необходимы:

• наличие свободных заряженных частиц - носителей тока;

• наличие электрического поля, действие которого создает и поддерживает направленный движение свободных заряженных частиц.

За создание электрического поля «отвечают» источники тока.

Ø Источники электрического тока - устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую энергию.

В источниках электрического тока выполняется работа по разделению электрических зарядов, в результате чего на одном полюсе источника накапливается положительный заряд, а на другом - отрицательный. Примером источников тока могут служить аккумуляторы и гальванические элементы.

2. Сила тока

Когда по проводнику протекает электрический ток через поперечное сечение проводника ежесекундно переносится некоторый электрический заряд. Для оценки электрических зарядов, проходящих через проводник, была введена специальная физическая величина - сила электрического тока.

Ø Сила тока I - это физическая величина, характеризующая электрический ток и равна отношению заряда ∆ q, переносимого через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку:

Если сила тока не изменяется со временем, то такой ток называют постоянным. Сила постоянного тока I в проводнике численно равна заряду q, перенесенного через поперечное сечение проводника за единицу времени:

В системе СИ силу тока измеряют в амперах (А). Ампер является одной из основных единиц системы СИ и определяется с помощью магнитного взаимодействия токов. За силы тока в 1 А через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит заряд в 1 Кл (1 А = 1 Кл/с).

Прибор для измерения силы тока называют амперметром. Амперметр включают в электрическую цепь последовательно с проводником, в котором измеряют силу тока.

Ø Электрическое сопротивление - это физическая величина, характеризующая свойство проводника противодействовать электрическому току.

В СИ единицей электрического сопротивления является 1 Ом (это сопротивление такого проводника, в котором протекает ток силой 1 А при напряжении 1 В).

Сопротивление проводника зависит от материала и геометрических размеров проводника. Зависимость электрического сопротивления от размеров проводника имеет вид:

Ø Удельное сопротивление проводника - это физическая величина, характеризующая электрические свойства вещества и численно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2.

Поскольку ρ = RS/l, единица удельного сопротивления в СИ:

Значение удельного сопротивления вещества обусловлено химической природой вещества и существенно зависит от температуры.

Простейшая электрическая цепь представляет собой соединение проводников в определенном порядке: источник тока, потребитель электрической энергии, нормально разомкнутый контакт (размыкающий) устройство, соединительные провода. Каждый элемент электрической цепи на схемах имеет условное обозначение.

Необходимо обратить внимание на то, что направлением тока в проводнике условно считают направление, в котором двигались бы положительно заряженные частицы, т.е. направление от положительного полюса источника тока к отрицательному.

 ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Что представляет собой электрический ток?

2. Существует ток в замкнутой электрической цепи?

3. Дайте характеристику силе тока как физической величины..

4. Как на электрических схемах изображают гальванический элемент?

2). Учимся решать задачи

1. Сила тока в проводнике электрической лампы I = 0,16 А. Сколько электронов проходит по кругу ежеминутно?

Решение. За 60 с через поперечное сечение проводника проходит заряд q = It. Поскольку заряд электрона по модулю равна e, соответствующее количество электронов

Проверив единицы величин и подставив числовые значения, получаем: N = 6 · 1019.

РЕШИТЕ САМОСТОЯТЕЛЬНО

2. По проводнику течёт постоянный электрический ток. Значение заряда, прошедшего через проводник, возрастает с течением времени от 0 до 6 кулонов. Определить силу тока в проводнике.

 ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

• Электрическим током называют обращен движение заряженных частиц.

• Источники электрического тока - устройства, преобразующие различные виды энергии в электрическую энергию.

• Сила тока I - это физическая величина, которая характеризует электрический ток и равна отношению заряда ∆ q, переносимого через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку:

• Электрическое сопротивление - это физическая величина, характеризующая свойство проводника противодействовать электрическому току.

• Удельное сопротивление проводника - это физическая величина, характеризующая электрические свойства вещества и численно равно сопротивлению проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 м2:

• Направлением тока в проводнике условно считают направление, в котором двигались бы в цепи положительно заряженные частицы.

Задание: 1.запишите выводы в тетради, предварительно записав тему урока.

                2.запишите ответы на вопросы.

                3.запишите решение самостоятельной задачи

ЖЕЛАЮ УСПЕХА!