| | Тема 7 | ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ -периодические изменения вектора индукции магнитного поля и вектора напряженности электрического поля. |
| | Свободные электромагнитные колебания | ➨периодически повторяющиеся изменения силы тока в электрической цепи, происходящие без потребления энергии от внешних источников. Такие колебания можно получить в электрическом колебательном контуре. |
| | Реальный колебательный контур (  ) | ➨электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью С, катушки индуктивностью  и сопротивления  обмотки катушки; ➨ в реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания являются затухающими; |  |
| | Идеальный колебательный контур (контур Томсона)  | ➨электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью С и катушки индуктивностью ; ➨простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания; |  |
| | ● свободные электромагнитные колебания  в контуре | ➨в цепи возникают незатухающие гармонические колебания, если в некоторый момент времени зарядить конденсатор до напряжения  . По гармоническому закону будут изменяться: напряжение  на обкладках конденсатораС :  ; ток  в катушке индуктивности :  ; В каждый момент времени  мгновенные значения напряжения  и тока  сдвинуты по фазе на  . Например: предельным значениям напряжения соответствуют мгновенные значения тока  , предельным значениям тока  - мгновенные значения напряжения  . |
| | Формула Томсона  [с] | ➨ период собственных (свободных) колебаний контура; |
| | ·   [Гц] | ➨ частота собственных колебаний. |
| | ·   | ➨ циклическая частота собственных колебаний. |
| | Превращение энергии в колебательном контуре | ➨в колебательном контуре происходит взаимное превращение энергии электрического поля   в энергию магнитного поля   ; ➨дважды за период  происходит перекачка энергии из электрического поля конденсатора  в магнитное поле катушки индуктивности  и обратно. |
| | · закон сохранения энергии в идеальном колебательном контуре    | ➨полная энергия электромагнитного поля сохраняется и равна амплитудному значению электрической энергии конденсатора  или амплитудному значению энергии магнитного поля катушки индуктивности  . |
| |  Вынужденные электрические колебания | ➨незатухающие колебания в колебательном контуре, происходящие под периодически изменяющимся внешним воздействием. ➨ для получения незатухающих колебаний необходимо в реальный колебательный контур непрерывно подводить энергию, которая бы компенсировала потери энергии в контуре. Эту функцию выполняет генератор переменного тока ~  . |
| | ГЕНЕРАТОР переменного тока | ➨машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока. ➨ принцип действия генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции. |
| |  | ➨простейшая модель генератора – вращающаяся в постоянном магнитном поле рамка. Поместим в однородное магнитное поле рамку, которая проводит электрический ток и приведем ее во вращение с угловой скоростью  . Магнитный поток, пронизывающий рамку, определим по формуле:  , т.к.  ,то амплитудное значение потока равно:  , тогда  . Скорость изменения потока через рамку (первая производная  ):  По закону электромагнитной индукции (закон Фарадея):     , где  - амплитудное значение ЭДС. |
| | Устройство генератора | |  |
| | ИНДУКТОР (вращающаяся часть - ротор) | ➨постоянный магнит или электромагнит, создающий магнитное поле; |
| | ЯКОРЬ (неподвижная часть - статор) | ➨обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС. |
| | ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК | ➨ ток, величина которого с течением времени меняется по модулю и направлению. Переменный синусоидальный ток представляет собой вынужденные колебания тока в электрической цепи, происходящие с частотой , совпадающей с частотой вынуждающей ЭДС:   - амплитудное значение силы тока;  - сдвиг фазы между колебаниями тока и ЭДС. |
| | Действующие (эффективные) значения силы тока и напряжения | ➨ о силе переменного тока судят по его тепловому действию, т.к. оно не зависит от направления тока. По тепловому действию переменного тока определяют «эффективную» силу тока. |
| | ➨ эффективной силой и эффективным напряжением переменного синусоидального тока называются сила и напряжение постоянного тока, который производит такое же тепловое действие, как и данный переменный ток. |
| | · действующее значение силы тока  ➨ величина, в  раз меньше амплитудного значения  силы тока; | · действующее значение напряжения  ➨величина, в  раз меньше амплитудного значения  напряжения; |
| | МГНОВЕННАЯ МОЩНОСТЬ переменного тока  или  | ➨ равна произведению мгновенных значений силы тока  и напряжения  (при совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения);  - амплитудные значения силы тока и напряжения. |
| | СРЕДНЯЯ МОЩНОСТЬ переменного тока  | ➨т.к. среднее значение квадрата косинуса за период равно 0,5; |
| | МОЩНОСТЬ переменного тока  | ➨при совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения мощность равна произведению действующих значений силы тока и напряжения. |
| | ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА | ➨представляет собой колебательный контур, к которому приложена внешняя синусоидальная ЭДС. |  |
| | АКТИВНОЕ сопротивление  | ➨величина, характеризующая сопротивление электрической цепи (или ее участка) электрическому току, обусловленное необратимыми превращениями энергии в другие формы (преимущественно в тепловую). |
| | РЕАКТИВНОЕ сопротивление | ➨величина, характеризующая сопротивление, оказываемое переменному току электрической емкостью  и индуктивностью  цепи (или ее участка), обусловленное передачей электрической энергии электрическому или магнитному полю элементов цепи и обратно. |
| | · ИНДУКТИВНОЕ сопротивление | ➨  |
| | · ЕМКОСТНОЕ сопротивление | ➨  |
| | ПОЛНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ цепи переменного тока | ➨  |
| | РЕЗОНАНС в электрической цепи  =    =  | ➨явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура; |
| | ➨возникает при равенстве индуктивного сопротивления  емкостному сопротивлению  (  =  ) . При этом полное сопротивление цепи становится наименьшим, равным активному  (  ). |
| | ➨резонанс так же наступает при равенстве частоты генератора и собственной частоты  колебаний электрической цепи ( = ). Резонансная частота равна: . |
| | ТРАНСФОРМАТОР | ➨электротехническое устройство, предназначенное для преобразования (повышения или понижения) напряжения переменного электрического тока. |
| | · устройство трансформатора  | ➨ простейший трансформатор состоит из: железного сердечника (магнитопровода) и расположенных на нем двух обмоток: первичной -  и вторичной -  витков. При подключении первичной обмотки трансформатора к источнику переменной ЭДС ~e1обе обмотки пронизывает общий магнитный поток Ф. Изменение магнитного потока во вторичной обмотке возбуждает ЭДС индукции ~e2. |
| | · режимы работы | ➨ без нагрузки (холостой ход); под нагрузкой (рабочий ход). |
| | · режим ХОЛОСТОГО хода | ➨ этот режим имеет место при разомкнутой вторичной цепи. В этом случае ток во вторичной цепи отсутствует, т.е.  =0. При холостом ходе ЭДС самоиндукции, действующая в первичной обмотке, почти равна поданному на нее напряжению сети переменного тока, в которую включен трансформатор, т.е.  . |
| | · режим РАБОЧЕГО хода | ➨ этот режим имеет место при замкнутой вторичной цепи. В этом случае трансформатор нагружен (т.е. к нему подключены потребители энергии) и в цепи вторичной обмотки течет ток  . |
| | КОЭФФИЦИЕНТ ТРАНСФОРМАЦИИ  | ➨ равен отношению витков  первичной обмотки к числу витков  вторичной обмотки; ➨отношение напряжения  на первичной обмотке к напряжению  на вторичной обмотке; ➨ отношение силы тока во вторичной обмотке к силе тока  в первичной обмотке. |
| | · ( > ) | ➨ понижающий трансформатор; |
| | · ( < ) | ➨ повышающий трансформатор. |
| | КПД трансформатора  | ➨равен отношению полезной мощности  (мощности, отдаваемой потребителям) к затраченной мощности  (мощности, которая берется трансформатором от сети переменного тока). |
| | Производство, передача, потребление электрической энергии | ➨электроэнергию вырабатывают на электростанциях и передают потребителям на большие расстояния с помощью линий электропередачи. При передаче электроэнергии по проводам часть этой энергии необратимо переходит во внутреннюю энергию и выделяется в проводах в виде теплоты:  (по закону Джоуля-Ленца). Способы снижения потерь электроэнергии: 1)увеличить сечение проводников  , что экономически не выгодно; 2)уменьшить силу тока  , что достигается применением трансформаторов.   - повышающий трансформатор, преобразует напряжение до  , пропорционально уменьшается сила тока.  - понижающий трансформатор, преобразует высоковольтное напряжение  до уровня, необходимого потребителю  |
| | Тема 8 | ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ- электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве. Экспериментально были получены в 1880 г. Герцем. |
| | Источник электромагнитных волн | ➨ колебательный контур. |
| | · открытый колебательный контур | ➨в таком контуре электрическое поле конденсатора и магнитное поле катушки пространственно не разделены (антенна). |
| | Основные идеи теории Максвелла  | ➨ 1)создано математическое описание электромагнитного поля, которое объясняло все известные на то время факты с единой точки зрения и позволяло предсказывать новые явления; 2)переменное магнитное поле порождает в пространстве вихревое электрическое поле; 3)переменное электрическое поле порождает магнитное поле; 4)электрическое поле и магнитное поле – различные формы проявления единого электромагнитного поля; 5)скорость распространения электромагнитных взаимодействий конечна и равна скорости света в вакууме  ; 6)свет – есть форма электромагнитных волн. |
| | Скорость распространения электромагнитных волн  | ➨ в вакууме - - предельная скорость распроcтранения любых физических взаимодействий в природе; |
| | ➨ в веществе –зависит от природы вещества, его диэлектрической  и магнитной проницаемости  (всегда меньше, чем в вакууме). |
| | · длина электромагнитной волны | ➨ расстояние, которое проходит волна за время, равное периоду  |
| |  Свойства электромагнитных волн | ➨ 1) они могут распространяться не только в различных средах, но и в вакууме; 2) их скорость в вакууме – фундаментальная физическая константа; в любой среде их скорость меньше; 3)они поперечны, векторы  и  (перпендикулярные друг другу) в электромагнитной волне перпендикулярны направлению ее распространения; 4)их интенсивность увеличивается с ростом ускорения излучающей заряженной частицы; 5)волны с частотами  вызывают у человека зрительные ощущения; 6)при определенных условиях проявляются типичные волновые свойства (явления отражения, преломления, дифракции, интерференции, поляризации); |
| | Радиосвязь | ➨использование свойств электромагнитных волн является основой радиосвязи – передачи информации с помощью радиоволн (волн, частоты которых охватывают широкий диапазон: от 3·104до3·1011Гц). |
| | · изобретение радио 7 мая 1895 г. – день рождения радио | ➨возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов впервые продемонстрировал русский физик А.С. Попов. |
| | · приемник А.С. Попова  | ➨ 1 – антенна – в антенне электромагнитные волны вызывали вынужденные колебания тока и напряжения; |
| | ➨ 2 – когерер – стеклянная трубка с двумя электродами, заполненная металлическими опилками; в нее с антенны подавалось переменное напряжение; в обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, т.к. опилки имеют плохой контакт друг с другом; прошедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты; между опилками проскакивают мельчайшие искорки, спекают опилки и сопротивление когерера падает(примерно в 100-200 раз); встряхнув прибор, можно вернуть ему большое сопротивление. |
| | | ➨ 3 –электромагнитное реле – сила тока в катушке электромагнитного реле возрастает и реле включает электрический звонок; так регистрируется прием электромагнитной волны антенной; ➨ 4 – электрический звонок – удар молоточка звонка по когереру встряхивал опилки, возвращал его в исходное состояние и приемник снова был готов к регистрации электромагнитных волн; ➨ 5 – источник постоянного тока; |
| | Модуляция | ➨мощность радиоизлучения гораздо больше на высоких частотах, поэтому используют высокую несущую частоту, которую модулируют (изменяют) звуковой частотой. ➨ процесс наложения колебаний одной частоты на колебания другой называется модуляцией. Виды модуляции:амплитудная, частотная, фазовая. |
| |  · амплитудная | ➨процесс изменения амплитуды высокочастотных незатухающих электромагнитных колебаний с помощью колебаний звуковой частоты. Для этого в передатчике последовательно с колебательным контуром генератора высокой частоты включают вторичную обмотку трансформатора, на первичную обмотку которого подается сигнал звуковой частоты. |
| | Детектирование | ➨процесс преобразования сигнала в результате которого в приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания; полученный в результате детектирования сигнал соответствует звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика; усиленные колебания низкой частоты могут быть превращены в звук. |
| | 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. |
| | Радиопередатчик Радиоприемник   |
| | РАДИОПЕРЕДАТЧИК | |
| | · ГВЧ – генератор высокой частоты | ➨ формирует радиосигналы – электрические колебания высокой(несущей) частоты ВЧ. |
| | · МК – микрофон | ➨ преобразовывает звуковой сигнал в электрические колебания низкой частоты НЧ. |
| | · МД – модулятор | ➨смешивает электрические сигналыВЧ и НЧ. |
| | · УВЧ – усилитель высокой частоты | ➨усиливает модулированные по амплитуде (в соответствии с передаваемым сообщением) радиосигналы высокой частоты МВЧ. |
| | · АП – антенна передающая | ➨излучает в окружающее пространство электромагнитные высокой частоты ВЧ (до 30 кГц), в то время как звуковой сигнал представляет собой механические колебания низкой частоты НЧ (0,1-10 кГц). |
| | РАДИОПРИЕМНИК | ➨осуществляет прием электромагнитных волн. Колебательный контур приемника, настроенный на частоту передатчика, резонирует, исключает помехи, усиливает полезный сигнал. |
| | · ПА – приемная антенна |
| | ·ДМ - демодулятор | ➨преобразует модулированные колебания высокой частоты МВЧ в колебания низкой частоты НЧ до необходимого уровня. |
| | · Д - динамик | ➨принимает колебания низкой частоты НЧ и преобразует их в звуковые сигналы, адекватные передаваемому сообщению. |
| | Шкала электромагнитных волн | ➨непрерывная последовательность частот и длин волн электромагнитных излучений, представляющих собой распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле. |
| | |
| | Границы по частотам или длинам волн между различными видами электромагнитного излучения весьма условны – последовательные участки шкалы непрерывно переходят друг в друга. Электромагнитные излучения, частоты которых отличаются на много порядков (например, радиоволны и рентгеновские лучи), имеют качественно различные свойства. |
| | · закономерности электромагнитных волн | ➨по мере перехода от более длинных волн (малых частот) к более коротким (большим частотам)волновые свойства света (интерференция, дифракция, поляризация) проявляются слабее, а квантовые свойства, в которых решающую роль играет величина энергии  , проявляются сильнее. |
| |  |
| | Название диапазона | Частота  , Гц | Длина волны  , м | Источники возбуждения | Методы фиксации, область применения |
| | Низкочастотные колебания | до 103 | более 3·104 | Генераторы переменного тока | Электротехнические (электротехника) |
| | Радиоволны | 103 | 3·105 | Генераторы радиочастот. Генераторы СВЧ | Радиотехнические (радиотехника, телевидение, радиосвязь, радиолокация) |
| | Инфракрасное излучение | 1012 | 3·10-3 | Излучение молекул и атомов при теп-ловых и электрических воздействиях | Тепловые и фотографические (теплицы) |
| | Видимый свет | 3,8×1014 | 8·10 -7 | | Глаз. Фотографические. Фотоэлек-трческие (жизнь на Земле) |
| | Ультрафиолетовое излучение и мягкое рентгеновское излучение | 7,5·1014 3·1017 | 4·10 -7 10-9 | Излучение атомов при воздействии ускоренных электронов | Фотографические. Фотоэлектрические (медицина) |
| | Рентгеновское и  -излучение | 3·1020 | 10-12 | Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц | Фотографические. Ионизационные (медицина, металлургия) |
| | -излучение | 1023 | 3·10 -15 | Ядерные процессы Радиоактивный распад. Космические процессы. | Ионизационные (метод меченых атомов) |
| Раздел 5.ОПТИКА И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА ЛЕКЦИЯ 10 | |
| Тема 9 | ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА | |
| - раздел физики, в котором изучаются явления и закономерности, связанные с возникнове-нием, распространением и взаимодействием с веществом световых электромагнитных волн. | |
| Источники света | ➨ тела, которые излучают свет. При излучении источник света теряет часть своей энергии, а поглощая свет увеличивает внутреннюю энергию. Таким образом, распространение света сопровождается переносом энергии. | |
| · виды источников света | ➨ u температурные – излучение света происходит в результате нагревания тела до высокой температуры; v люминесцентные (холодное свечение) – тела излу-чают свет при облучении их светом (фотолюминесцен-ция), рентгеновскими лучами, катодными лучами, радио-активным излучением, при окислительно-восстановитель-ных процессах (хемилюминесценция). | |
| · точечный источник света | ➨ источник света, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до освещаемого предмета (Солнце, звезды). | |
| · световой луч | ➨ линия, вдоль которой распространяется энергия свето-вых электромагнитных волн. | |
| Закон прямолинейного распространение света | ➨ в оптически однородной прозрачной среде (показа-тель преломления которой везде одинаков) свет распро-страняется по прямым линиям. | |
· экспериментальные доказательства  | ➨ если расстояние между источником света и экраном значительно больше размеров источника, то на экране образуется четкая тень предмета. | |
 | ➨ если тело (2) поместить ближе к источнику (1), то его уже нельзя считать точечным; на экране образуются областитени (3) и полутени(4). | |
| · тень | ➨ область пространства за предметом, куда не попадает свет от источника. | |
| · полутень | ➨ область, в которую попадает свет от части источника. | |
| · ограничения закона прямолинейного распространения света | ➨ закон нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейного распространения тем больше, чем меньше отверстие. | |
| Закон независимости световых пучков | ➨ распространение световых лучей в среде происходит независимо друг от друга: отдельные лучи света, пере-секаясь не взаимодействуют. | |
| | | | | | | | | | | | | | | | | |
| Законы отражения света | ➨ луч падающий  и луч отражен-ный  лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; |    | |
➨ угол падения равен углу отражения:  | |
Законы преломления света  среда среда | ➨ луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения; | |
➨ отношение синуса угла падения к синусу угла преломления  есть величина постоянная для данных двух сред и равная относительному показателю преломления двух сред  :  | |
| · относительный показатель преломления |  | ➨ равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды  к абсолютному показателю преломления первой среды  ; ➨ показывает, во сколько раз скорость света в первой среде  больше скорости света во второй среде  | |
| · абсолютный показатель преломления |  | ➨ показывает, во сколько раз скорость света в вакууме  больше скорости света  ср в данной среде; | |
| · следствия закона преломления | ➨ если свет переходит из среды оптически более плотной  (например, стекло nст=1,5 ) в среду оптически менее плотную  (например, воздух nвоздуха≈1,0), то угол преломления  больше угла падения  (и наоборот); | |
 n1 стекло n2 вoздух | >   | |
Полное отражение iпред n1- стекло n2 -вoздух  = 900 > - условие полного отражения | ➨ отражение света при его падении из среды оптически более плотной  в среду оптически менее плотную ; ➨ с увеличением угла падения  увеличивается угол преломления  и при некотором угле падения  =  угол преломления окажется равным 900 и будет сколь-зить по поверхности раздела двух сред; | |
· предельный угол полного отражения  | ➨ угол падения  , при котором угол преломления  равен  (  ); Согласно закону преломления света:    | |
 ·применение явления полного отражения рис. 1  рис. 2  рис. 3 | ➨ явление полного отражения используется в призмах полного отражения. | |
| Показатель преломления стекла равен 1,5, поэтому предельный угол для границы стекло-воздух равен: |   | |
Поэтому при падении света на границу стекло-воздух при  всегда будет иметь место полное отражение. | |
➨ призмы полного отражения позволяют: 1) повернуть луч на (поворотная призма) – исполь-зуют в перископах - рис.1; 2) изменить направление светового луча на  (оборачивающая призма) – используют в призматическом бинокле - рис. 2; 3) изменить порядок следования световых лучей (верхний луч становится нижним и наоборот)- рис. 3. | |
 Призма | ➨ прозрачное тело, ограниченное с трех сторон плоскими поверхностями, пересекающимися так, что линии их пересечения  взаимно параллельны. | |
| · треугольная призма | |
·  ход лучей в призме M N | ➨ от источника S луч падает на грань АС трехгранной призмы АВС, переходя из оптически менее плотной среды (воздух) в оптически более плотную среду (стекло). ➨ в точке М луч преломляется и идет в призме по прямой МN. При выходе из призмы в точке N через грань СВ луч еще раз преломляется, отклоняясь к основанию призмы. Для наблюдателя действительное изображение источника Sсдвинуто на угол ипредставлено как мнимое  . | |
| · угол отклонения луча призмой | ➨  , где:  - угол падения луча на грань АС,  - угол преломления на грани ВС. | |
· преломляющий угол  призмы. | ➨ угол между гранями АС и ВС. | |
| Построение изображений в плоском зеркале | ➨ основано на соблюдении закона отражения: угол паде-ния равен углу отражения  . Изображение в плоском зеркале мнимое , располо-жено симметрично относительно поверхности зеркала (  ) и равно по размерам самому предмету. | |
 | |
| ЛИНЗЫ линзы делятся: | ➨ прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими или сферической и плоской поверхностями и преобразующее форму светового пучка; | |
| · по оптическим свойствам | ➨ линзы, превращающие входя-щий параллельный пучок све-товых лучей в пучок сходящихся лучей; |  | |
| - собирающие | |
| - рассеивающие | ➨ линзы, превращающие входя-щий параллельный пучок свето-вых лучей в пучок расходящихся лучей; |  | |
| · по внешней форме | | |
- выпуклые линзы  (собирающие линзы) |  ➨ линзы, у которых середина толще, чем края. | Условное обозначение собирающей линзы | | |
| | Двояко- выпуклая | Плоско- выпуклая | Вогнуто-выпуклая | | |
- вогнутые линзы (рассеивающие линзы)  |  ➨ линзы, у которых края толще, чем середина. | Условное обозначение рассеивающей линзы | Наши рекомендации |
