Волновые свойства света. Электромагнитная теория света.

План ответа1. Законы преломления и отраже­ния света.

2. Интерференция и ее применение.

3. Дифракция.

4. Дисперсия.

5. Свет— это электромагнитные волны воспринимаемых че­ловеческим глазом.

Свету присущи все свойства электромагнитных волн:

отраже­ние, преломление, интерференция, дифракция, поляризация.

Свет мо­жет оказывать давление на веще­ство, поглощаться средой, вызы­вать явление фотоэффекта. Имеет скорость распростране­ния в вакууме 300 000 км/с.

Наглядно волновые свойства света обнаруживаются вявлениях интерференции и ди­фракции.

Интерференцией светаназывают пространственное пере­распределение светового потока при наложении двух (или несколь­ких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы.

Интерфе­ренцией света объясняется окра­ска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцвет­ны.

Световые волны частично от­ражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее. На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волны (рис. 1).

Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути.

Рис. 1

Освещенная белым светом тонкая цветная прозрачная пленка кажется окрашенной.

Яв­ление интерференции в тонких пленках применяется для контро­ля качества обработки поверхно­стей просветления оптики.

При прохождении света через малое круглое отверстие на экране вокруг центрального светлого пят­на наблюдаются чередующиеся темные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то получается картина из чередую­щихся светлых и темных полос.

Явление отклонения света от прямолинейного направления рас­пространения при прохождении у края преграды называют ди­фракцией света.

Дифракция объ­ясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклоне­ния из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерфери­руют между собой.

Дифракция света используется в спектраль­ных приборах, основным элемен­том которых является дифракци­онная решетка.

Дифракционная решеткапредставляет собой про­зрачную пластинку с нанесенной на ней системой параллельных не­прозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.

Рис. 2

Пусть на решетку (рис. 2) па­дает монохроматический свет.

В ре­зультате дифракции на каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направ­лении, но ипо всем другим на­правлениям. Если за решеткой по­ставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну по­лоску.

Параллельные лучи, идущие от краев соседних щелей, имеют раз­ность хода l = d sin φ,

где d, — по­стоянная решетки — расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое пе­риодом решетки,

φ— угол откло­нения световых лучей от перпен­дикуляра к плоскости решетки.

При прохождении через дифракционную решетку пучок белого света разлагается в спектр.

Угол дифракции имеет наибольшее значение для красно­го света, так как длина волны красного света больше всех ос­тальных в области видимого све­та. Наименьшее значение угла дифракции для фиолетового све­та.

Узкий параллельный пучок бе­лого света при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета, при этом наибольшее отклонение к ос­нованию призмы имеют лучи фио­летового цвета. Объясняется раз­ложение белого света тем, что белый свет состоит из электромаг­нитных волн с разной длиной вол­ны, а показатель преломления све­та зависит от длины его волны. По­казатель преломления связан со скоростью света в среде, следова­тельно, скорость света в среде за­висит от длины волны. Это яв­ление и называют дисперсией света.

Билет № 18

Радиоактивность. Виды ра­диоактивных излучений и методы их регистрации. Биологическое действие ионизирующих излуче­ний.

План ответаОпределение.

1. Виды радиоактивного распада.

2. Методы регистрации.

3. Биологическое действие.

Радиоактивность— это ис­пускание ядрами некоторых эле­ментов различных частиц, сопро­вождающееся переходом ядра в другое состояние и изменением егопараметров.

Явление радиоак­тивности было открыто опытным путем французским ученым Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана

Беккерель заметил, что соли урана засвечивают заверну­тую во много слоев фотобумагу невидимым проникающим излу­чением.

Английский физик Э. Резерфорд исследовал радиоактивное излучение в электрических и маг­нитных полях и открыл три со­ставляющие этого излучения, ко­торые были названы α-, β-, γ- излу­чением.

Рис. 1

α-Распад представляет собой излучение α-частиц (ядер, гелия) высоких энергий. При этом масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд — на 2 единицы (рис. 1).

β-Распад — излучение электро­нов, заряд которых возрастает на единицу, массовое число не изме­няется.

γ-Излучение представляет со­бой испускание возбужденным ядром квантов света высокой час­тоты. Параметры ядра при γ-излучении не меняются, ядро лишь пе­реходит в состояние с меньшей энергией.

Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит це­почка последовательных радиоак­тивных превращений.

Процесс распада всех радиоактивных эле­ментов идет до свинца. Свинец — конечный продукт распада.

Приборы, применяемые для ре­гистрации ядерных излучений, на­зываются детекторами ядерных излучений.

Наиболее широкое применение получили детекторы, обнаруживающие ядерные излу­чения по производимой ими иони­зации и возбуждению атомов ве­щества: газоразрядный счетчик Гейгера, камера Вильсона, пузырь­ковая камера.

Существует также метод фотоэмульсий, основанный на способности пролетающей час­тицы создавать в фотоэмульсии скрытое изображение. След проле­тевшей частицы виден на фотогра­фии после проявления.

Радиоактивные излучения ока­зывают сильное биологическое действие на ткани живого организ­ма, заключающееся в ионизации атомов и молекул среды. Возбуж­денные атомы и ионы обладают сильной химической активно­стью, поэтому в клетках организ­ма появляются новые химические соединения, чуждые здоровому ор­ганизму. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и элементы клеточных структур. В человече­ском организме нарушается про­цесс кроветворения, приводящий к дисбалансу белых и красных кровя­ных телец. Человек заболевает бе­локровием, или так называемой лу­чевой болезнью. Большие дозы об­лучения приводят к смерти.

Билет №19

Магнитное поле, условия его существования. Действие магнит­ного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие. Магнитная индукция.

План ответа

1. Опыты Эрстеда и Ампера.

2. Магнитное поле.

3. Магнитная индукция.

4. Закон Ампера.

Датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрел­ка поворачивается при пропуска­нии электрического тока через проводник, находящийся около нее (рис. 1). В том же году физик Ампер установил, что два проводника, расположен­ные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение: если ток течет по ним в одну сторо­ну.

Отталкивание: если токи те­кут в разные стороны (рис. 2).

Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамиче­ским взаимодействием.

Магнит­ное взаимодействие движущихся электрических зарядов, согласно представлениям теории близкодействия, объясняется следующим об­разом: всякий движущийся элек­трический заряд создает в окру­жающем пространстве магнитное поле.

Магнитное поле— особый вид материи, который возникает в пространстве вокруг любого пере­менного электрического поля.

Рис. 1 Рис. 2

В природе существует совокупность двух полей — электрического и магнитного — это электромагнит­ное поле, оно представляет собой особый вид материи.

Магнитное поле всегда порождается переменным электрическим, и наоборот, пере­менное электрическое поле всегда порождает переменное магнитное поле.

Электрическое поле можно рассматривать от­дельно от магнитного, так как но­сителями его являются частицы — электроны и протоны.

Магнитное поле без электрического не существует, так как носителей магнитно­го поля нет. Вокруг проводника с током существует магнитное поле, и оно порождается переменным электрическим полем движущихся заряженных частиц в проводнике.

Магнитное поле является сило­вым полем.

Силовой характери­стикой магнитного поля называют магнитную индукцию (B).

Магнит­ная индукция— это векторная физическая величина, равная мак­симальной силе, действующей со стороны магнитного поля на еди­ничный элемент тока. В = F/Il. Единичный элемент тока — это проводник длиной 1 м и силой то­ка в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тес­ла. 1Тл =1Н/А·м.

Магнитная индукция всегда по­рождается в плоскости под углом 90° к электрическому полю. Вокруг проводника с током магнитное поле также существует в перпендику­лярной проводнику плоскости.

Магнитное поле является вих­ревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии,или ли­нии индукции,— это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление сило­вых линий находится по правилу буравчика. Если буравчик ввинчи­вать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением сило­вых линий. Линии магнитной ин­дукции прямого провода с током представляют собой концентриче­ские окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 3).

Как установил Ампер, на про­водник с током, помещенный в маг­нитное поле, действует сила. Сила, действующая со стороны магнит­ного поля на проводник с током, прямо пропорциональна силе то­ка, длине проводника в магнит­ном поле и перпендикулярной со­ставляющей вектора магнитной индукции. Это и есть формулиров­ка закона Ампера, который запи­сывается так:

F_A = I l B sin α.

Направление силы Ампера опре­деляют по правилу левой руки. Ес­ли левую руку расположить так, чтобы четыре пальца показыва­ли направление тока, перпендику­лярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, то отогнутый на 90° боль­шой палец покажет направление силы Ампера (рис. 4). В = В sin α.

Рис. 3 Рис. 4

Билет № 20

Ко­лебательный контур и превраще­ние энергии при электромагнит­ных колебаниях. Частота и пери­од колебаний.

План ответа

1. Колебательный контур.

2. Формула Томсона.

а) б) в) г)

Рис. 1

Электромагнитные колебания—

это колебания электрических и магнитных полей, которые сопро­вождаются периодическим измене­нием заряда, тока и напряжения.

Простейшей системой, где могут возникнуть и существовать элек­тромагнитные колебания, является колебательный контур.

Колеба­тельный контур— это система, состоящая из катушки индуктив­ности и конденсатора (рис. 1, а).

Если конденсатор зарядить и замк­нуть на катушку, то по катушке потечет ток (рис. 1, б). Когда кон­денсатор разрядится, ток в цепи не прекратится из-за самоиндук­ции в катушке. Индукционный ток, в соответствии с правилом Ленца, будет течь в ту же сторону и перезарядит конденсатор

(рис. 1, в). Токв данном направлении прекратится, и процесс повторится в обратном направлении (рис. 1, г).

Таким образом, в колеба­тельном контуре будут происхо­дить электромагнитные колеба­ния из-за превращения энергии электрического поля конденсато­ра

W_э = СU²/2

в энергию магнит­ного поля катушки с током W_м == LI²/2 ,

и наоборот.

Период электромагнитных ко­лебаний в идеальном колебатель­ном контуре (т. е. в таком контуре, где нет потерь энергии) зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора и находится по фор­муле Томсона Т = 2√ LC .

Часто­та с периодом связана обратно про­порциональной зависимостью ν = 1/Т.

В реальном колебательном контуре свободные электромаг­нитные колебания будут затухаю­щими из-за потерь энергии на нагревание проводов.

Для прак­тического применения важно по­лучить незатухающие электромаг­нитные колебания, а для этого не­обходимо колебательный контур пополнять электроэнергией, что­бы скомпенсировать потери энергии. Для получения незатухающих электромагнитных колебаний при­меняют генератор незатухающих колебаний, который является примером автоколебательной сис­темы.

Билет №21

Состав ядра атома. Изото­пы. Цепная ядерная реакция, условия ее существления. Термоядерные реакции.

План ответа

1. Открытие нейтрона.

2. Состав ядра, атома.

3. Изотопы.

4. Ядерные реакции.

5. Цепная ядерная реакция.

6. Термоядерные реакции.

В 1932г. английский физик Джеймс Чедвик открыл частицы с нулевым электрическим зарядом и единичной массой. Эти частицы назвали нейтронами.Обозначает­ся нейтрон п.

После открытия ней­трона физики Д. Д. Иваненко и Вернер Гейзенберг в 1932 г. выдви­нули протонно-нейтронную модель атомного ядра.

Согласно этой мо­дели ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов.

(Общее название протонов и ней­тронов — нуклоны.)

Число прото­нов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева.

Сумма числа прото­нов и нейтронов равна массовому числу. Например, ядро атома ки­слорода ¹⁶₈О состоит из 8 протонов и 16 - 8 = 8 нейтронов. Ядро атома ²³⁵₉₂U состоит из 92 протонов и 235 - 92 = 143 нейтронов.

Химические вещества, зани­мающие одно и то же место в таб­лице Менделеева, но имеющие раз­ную атомную массу, называются изотопами.

Ядра изотопов отлича­ются числом нейтронов.

Напри­мер, водород имеет три изотопа: протий — ядро состоит из одного протона, дейтерий — ядро состоит из одного протона и одного нейтро­на,

тритий — ядро состоит из одно­го протона и двух нейтронов.

Если сравнить массы ядер с мас­сами нуклонов, то окажется, чтомасса ядра тяжелых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для легких элементов масса ядра меньше сум­мы масс протонов и нейтронов в ядре.

Ядерная реакция— это процесс изменения заряда ядра и его мас­сы, происходящий при взаимодей­ствии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций вы­полняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступаю­щих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных продуктов (ядер и час­тиц) реакции.

Цепная реакция деления— это ядерная реакция, в которой части­цы, вызывающие реакцию, обра­зуются как продукты этой реак­ции. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k > 1, где k — коэффициент размножения нейтронов, т. е. отношение числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколе­нии. Способностью к цепной ядер­ной реакции обладает изотоп ура­на ²³⁵U. При наличии опреде­ленных критических параметров (критическая масса — 50 кг, ша­ровая форма радиусом 9 см) три нейтрона, выделившиеся при де­лении первого ядра, попадают в три соседних ядра и т. д. Процесс идет в виде цепной реакции, кото­рая протекает за доли секунды в виде ядерного взрыва. Неуправ­ляемая ядерная реакция применя­ется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цеп­ной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретен ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руководством И. В. Кур­чатова.

Термоядерные реакции— это реакции синтеза легких ядер, про­исходящие при высокой темпера­туре (примерно 10⁷ К и выше). Не­обходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядер­ная реакция осуществлена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные ис­следования по управлению этой реакцией.

Билет № 9

Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Изме­рение влажности воздуха.

План ответа

1. Основные понятия.

2. Водяной пар в атмосфере.

3. Абсолютная и относительная влажность.

4. Точка росы.

5. Приборы для измерения влажно­сти.

Испарение— парообразование, происходящее при любой темпера­туре со свободной поверхности жидкости.

Неравномерное распре­деление кинетической энергии теп­лового движения молекул приво­дит ктому, что при любой тем­пературе кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей ки­нетической энергией обладают мо­лекулы, имеющие большую ско­рость, атемпература тела зависит от скорости движения его молекул, следовательно, испарение сопрово­ждается охлаждением жидкости. Скорость испарения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жидкости.

Конденса­ция— процесс перехода вещества из газообразного состояния в жид­кое.

Испарение жидкости в закры­том сосуде при неизменной темпе­ратуре приводит к постепенному увеличению концентрации моле­кул испаряющегося вещества в га­зообразном состоянии. Через неко­торое время после начала испаре­ния концентрация вещества в газообразном состоянии достигнет такого значения, при котором чис­ло молекул, возвращающихся в жидкость, становится равным чис­лу молекул, покидающих жид­кость за то же время. Устанавли­вается динамическое равновесиемежду процессами испарения и конденсации вещества.

Вещество в газообразном состоянии, находя­щееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщен­ным паром.

(Паромназывают со­вокупность молекул, покинувших жидкость впроцессе испарения.)

Пар, находящийся при давлении ниже насыщенного, называют не­насыщенным.

Вследствие постоянного испаре­ния воды с поверхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и живот­ных в атмосфере всегда содержит­ся водяной пар. Поэтому атмо­сферное давление представляет собой сумму давления сухого воз­духа и находящегося в нем водяно­го пара.

Давление водяного пара будет максимальным при насыще­нии воздуха паром. Насыщенный пар в отличие от ненасыщенного неподчиняется законам идеально­го газа. Давление насыщенно го пара не зависит от объема, но за­висит от температуры. Эта зависи­мость не может быть выражена простой формулой, поэтому на ос­нове экспериментального изуче­ния зависимости давления насы­щенного пара от температуры со­ставлены таблицы, по которым можно определить его давление при различных температурах.

Давление водяного пара, нахо­дящегося в воздухе при данной температуре, называют абсолют­ной влажностью,или упругостью водяного пара. Поскольку давле­ние пара пропорционально кон­центрации молекул, можно опре­делить абсолютную влажность как плотность водяного пара, на­ходящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в кило­граммах на метр кубический (ρ).

Большинство явлений, наблю­даемых в природе, быст­рота испарения, высыхание раз­личных веществ, увядание расте­ний, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от того, насколько это количество близко к насыщению, т. е. от относитель­ной влажности,которая характе­ризует степень насыщения воздуха водяным паром.

При низкой температуре и вы­сокой влажности повышается теп­лопередача и человек подвергается переохлаждению.

При высоких температурах и влажности тепло­передача, наоборот, резко сокра­щается, что ведет к перегреванию организма. Наиболее благоприят­ной для человека в средних клима­тических широтах является отно­сительная влажность 40—60% .

Относительной влажностьюназывают отношение плотности во­дяного пара (или давления), нахо­дящегося в воздухе приданной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах, т. е. φ = р / р₀• 100%, или φ = ρ / ρ₀ • 100% .

Понижая температуру воздуха, можно дове­сти находящийся в нем пар до на­сыщения. Точкой росыназывают температуру, при которой пар, находящийся в воздухе, стано­вится насыщенным. При дости­жении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он со­прикасается, начинается конден­сация водяного пара. Для опре­деления влажности воздуха ис­пользуются приборы, которые называются гигрометрами и пси­хрометрами.

Билет № 10

Кристаллические и аморф­ные тела. Упругие и пластиче­ские деформации твердых тел.

План ответа

1. Твердые тела.

2. Кристаллические тела.

3. Моно- и поликристаллы.

4. Аморфные тела.

5. Упругость.

6. Пластичность.

Тела можно разделить на твердые и жидкие.

Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свой­ствами обладают твердые тела, бу­дем их нагревать. Одни тела нач­нут гореть (дерево, уголь) — это органические вещества. Другие бу­дут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах — это аморфные. Третьи будут изменять свое состояние при нагревании так, как показано на графике (рис.1). Это и есть кристалличе­ские тела. Такое поведение кри­сталлических тел при нагревании объясняется их внутренним строе­нием. Кристаллические тела — это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в опреде­ленном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно боль­шом расстоянии. Пространствен­ное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле на­зывают кристаллической решет­кой. Точки кристаллической ре­шетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки. Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристал­лами. Монокристалл обладает еди­ной кристаллической решеткой во всем объеме.

Рис. 1

Анизотропиямонокристаллов заключается в зависимости их фи­зических свойств от направления. Поликристаллпредставляет со­бой соединение мелких, различ­ным образом ориентированных мо­нокристаллов (зерен) и не обладает анизотропией свойств. Большинст­во твердых тел имеют поликри­сталлическое строение (минера­лы, сплавы, керамика).

Основными свойствами кри­сталлических тел являются: оп­ределенность температуры плав­ления, упругость, прочность, за­висимость свойств от порядка расположения атомов, т. е. от ти­па кристаллической решетки.

Аморфныминазывают вещест­ва, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. В отличие от кристаллических ве­ществ аморфные вещества изотроп­ны.Это значит, что свойства одина­ковы по всем направлениям. Пере­ход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, от­сутствует определенная температу­ра плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластич­ны. В аморфном состоянии нахо­дятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. п.

Упругость— свойство тел вос­станавливать свою форму и объем после прекращения действия вне­шних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. Для упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому уп­ругие деформации прямо пропор­циональны вызывающим их внеш­ним воздействиям σ = Е│ε│, где σ — механическое напряжение, ε — относительное удлинение, Е — мо­дуль Юнга (модуль упругости). Уп­ругость обусловлена взаимодействи­ем и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.

Пластичность— свойство твер­дых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять оста­точные деформации после того, как действие этих сил прекратится.

Билет № 23

РАБОТА В ТЕРМОДИНАМИКЕ

Работа в механике и термоди­намике.В механике работа опреде­ляется как произведение модулей силы и перемещения и косинуса угла между ними. Работа совер­шается при действии силы на дви­жущееся тело и равна изменению его кинетической энергии.

рис. 1 рис. 2

В термодинамике движение тела как целого не рассматривается, рассматривается перемещение частей макроскопического тела относитель­но друг друга.

В результате меняется объем тела, а его скорость остается равной нулю.

Работа в термодина­мике определяется так же, как и в механике, но равна изменению не кинетической энергии тела, а его внутренней энергии.