авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |

«Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С. Рязанский государственный университет ...»

-- [ Страница 4 ] --

Распространение колебаний в среде представляет собой процесс, периодический как во времени, так и в пространстве. В силу этого волне в соответствие можно поставить две картины (рис. 79 а, б).

Рис. 79а иллюстрирует периодичность волны во времени. На нем изображено изменение смещения х с течением времени t для некоторой частицы, колеблющейся в волне на расстоянии r от источника.

Рис. 79б иллюстрирует периодичность волны в пространстве. На нем изображено изменение смещения х, которое наблюдается в данный момент времени t для колеблющихся точек в волне по мере удаления от источника.

Периодичность волны во времени характеризуется периодом Т, а периодичность в пространстве - длиной волны (рис. 79а,б).

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

Период Т равен промежутку времени, в течение которого колеблющаяся точка в волне совершает одно полное колебание. По истечении периода фаза колеблющейся точки возрастает на 2.

Длина волны равна расстоянию между двумя ближайшими точ ками волны, фазы которых в данный момент времени отличаются на 2.

В СИ единицей длины волны является метр (1м), единицей периода Т - секунда (1с).

Длина волны и период Т связаны соотношением:

= V T, (1) где V - скорость распространения волны.

Соотношение (1) означает, что по истечении периода волна распространяется на расстояние, равное длине волны.

Количественно распространение S колебаний в среде описывается уравнением M V волны. Это уравнение можно получить, рассмотрев распространение колебаний от r источника S до некоторой точки М, удаленной от него на расстояние r.

Рис. 80.

Пусть роль источника колебаний S выполняет протяженная плоская мембрана (рис. 80), колеблющаяся по закону:

(2) x = A sin t, T где А - амплитуда колебаний.

При скорости распространения волны, равной V, колебания будут приходить в точку М с запаздыванием по времени. Величина запаздывания r, = V (3) поэтому колебания в точке М будут определяться уравнением:

(t ) x = A sin T 2 r x = A sin t.

или (4) T V Уравнение (4) есть искомое уравнение волны. При r = const его график соответствует графику на рис. 79а, а при t = const - графику на рис.

79б.

Фаза волны определяется выражением :

2 r = t.

T V Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

t При r = const изменение фазы, = T (5) r r а при t = const, (6) = 2 = TV где - длина волны, определяемая равенством (1).

Из соотношений (6) и (7) следует, что изменение фазы на 2 в первом случае соответствует промежутку времени t = T, а во втором расстоянию r =. Это подтверждает отмеченный ранее смысл T и как характеристик периодичности волны.

Упругие волны обнаруживают все свойства, присущие волнам вообще. Они испытывают отражение и преломление на границе раздела двух сред. Угол отражения при этом равен углу падения, а связь угла преломления с углом падения определяется законом преломления:

sin V =, (8) sin V где - угол падения, - угол преломления, V1 и V2 - значения скорости волны в первой и второй средах (по ходу волны).

При сложении когерентных упругих волн наблюдается интерференция. Две волны усиливают друг друга в точках, где разность хода волн равна четному числу полуволн, и ослабляют в точках, где разность хода равна нечетному числу полуволн.

Упругие волны обнаруживают дифракцию, огибая препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Энергия упругих волн поглощается и рассеивается веществом. По мере удаления от источника интенсивность упругой волны убывает.

Упругие волны имеют большую значимость. Передача информации с помощью речи основана на распространении упругих волн, называемых звуком. Ультразвуковые волны широко применяются в гидролокации, медицине, при обработке материалов. Упругие волны, распространяющиеся в земной коре, используются для регистрации и предупреждения землетрясений, контроля за проведением ядерных испытаний.

ВОПРОСЫ 1. Почему в твердых телах распространяются как продольные, так и поперечные упругие волны?

2. Что называют звуком?

3. Как найти длину волны, зная частоту и скорость распространения волны V ?

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

ОТВЕТЫ 1. В твердых телах имеются необходимые условия для распространения как продольных, так и поперечных волн. В них упругие силы возникают не только при деформации сжатия (растяжения), но и при деформации сдвига.

2. Звуком называют продольные упругие колебания с частотой от 20 до 20 000 Гц. При 20 000 Гц мы имеем дело с ультразвуком, а при 20 Гц - с инфразвуком.

V 3. =.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§ 4.4. Звуковые волны. Скорость звука. Громкость звука и высота тона Под звуковыми волнами понимают продольные упругие волны, распространяющиеся в газах, жидкостях и твердых телах при частотах от 20 до 20 000 Гц. При частотах выше 20 000 Гц мы имеем дело с ультразвуком, а при частотах меньше 20 Гц - с инфразвуком. Ультразвук и инфразвук ухом человека не воспринимаются.

При нормальных условиях (t = 0oC, Р = 760 мм рт. ст.) скорость звука в воздухе равна примерно 331 м /с. С ростом температуры скорость звука растет (примерно пропорционально корню квадратному из абсолютной температуры).

Скорость звука в жидкостях и твердых телах значительно выше, чем в газах. В воде при обычных условиях она составляет около 1500 м/с, в металлах - 40005000 м/с.

Скорость звука в воздухе V впервые была измерена по промежутку времени между моментом регистрации наблюдателем вспышки орудийного выстрела и моментом регистрации его звука:

l V=. (1) где l - расстояние от наблюдателя до орудия.

Говоря о характеристиках звука, необходимо различать объективные и субъективные характеристики. К объективным характеристикам, в частности, относятся частота, амплитуда и спектральный (частотный) состав звука. Субъективные характеристики выражают оценку звука, сделанную «на слух» по восприятию звука ухом человека. Субъективными характеристиками являются высота тона, громкость и тембр звука.

Субъективные и объективные характеристики связаны между собой.

Чем больше частота звука, тем выше высота тона, регистрируемого ухом человека. Чем больше амплитуда, тем выше громкость звука.

Спектральный состав звука определяет его «окраску» - тембр.

Звуковые волны обнаруживают все свойства, присущие волновым процессам. Они испытывают отражение и преломление на границе раздела двух сред. Угол отражения при этом равен углу падения, а связь угла преломления с углом падения определяется законом преломления:

sin V =, (2) sin V где - угол падения, - угол преломления, V1 и V2 - значения скорости звука в первой и второй средах (считая по хо Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

ду звуковой волны).

При сложении когерентных звуковых волн наблюдается их интерференция. Две звуковые волны усиливают друг друга в точках, для которых разность хода волн составляет четное число полуволн, и ослабляют в точках, где разность хода равна нечетному числу полуволн.

Звуковые волны обнаруживают дифракцию, огибая препятствия, размеры которых соизмеримы с длиной волны. Энергия звуковых волн поглощается и рассеивается веществом. По мере удаления от источника интенсивность звуковой волны убывает.

Звук играет важную роль в жизнедеятельности человека.

Воспринимая звуковые волны, человек получает информацию об окружающем мире. Общение людей с помощью речи также основано на звуке. Ультразвуковые волны имеют большую практическую значимость.

Они широко применяются в гидролокации, медицине, при обработке материалов и т.д.

ВОПРОСЫ 1. Что представляет собой эхо?

2. Какие примеры использования ультразвука в живой природе можно привести?

3. Как найти длину звуковой волны, зная частоту и скорость распространения звука V ?

ОТВЕТЫ 1. Эхом называют явление отражения звуковых волн от препятствий.

2. В ультразвуковом диапазоне «общаются» между собой дельфины, работает « локатор» летучей мыши и дельфина.

V 3. =.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§4.5. Свободные электромагнитные колебания в контуре.

Превращение энергии в колебательном контуре.

Собственная частота колебаний в контуре Электромагнитные колебания можно наблюдать в цепи, называе мой колебательным контуром (рис. 81а,б). Колебательный контур счи тают идеальным, если его сопротивлением можно пренебречь (рис. 81а).

Для реального контура б) а) сопротивление R отлично R от нуля (рис. 81б).

1 L L С С Рассмотрим 2 идеальный контур (рис.

82). Пусть в начальный Рис. 81.

а) б) в) Q --- 1 ++ ++ I L L С С L С --- 2 2 ++ ++ Q Рис. 82.

момент времени t = 0 конденсатор заряжен, его заряд равен Q0, напряжение между его обкладками равно U0, а ток в контуре отсутствует (рис. 82а).

В этих условиях сразу же начнется разрядка конденсатора и в кон туре возникнет электрический ток. Возникновение тока приведет к появ лению ЭДС самоиндукции, препятствующей росту тока. Ток будет расти постепенно и к моменту полной разрядки конденсатора достигнет макси мального значения I0 (рис. 82б). Напряжение на обкладках конденсатора при этом станет равным нулю, но это не приведет к прекращению тока. К этому времени ЭДС самоиндукции сменит знак и своим действием будет препятствовать прекращению тока. Ток в контуре будет уменьшаться по степенно. В конечном итоге все это приведет к перезарядке конденсатора (рис. 82в) и воссозданию ситуации, аналогичной начальной, но с другой полярностью зарядов на обкладках конденсатора. Далее опять последует разрядка конденсатора (при другом направлении тока) и все сопутствую щие этому явлению процессы.

Процессы, протекающие в колебательном контуре, периодически повторяются. Они соответствуют колебаниям, которые называют элек тромагнитными. В процессе этих колебаний изменяются заряд конден сатора q, напряжение между его обкладками u, ток в контуре i. Для Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

идеального контура колебания q, u и i будут гармоническими:

q = Q0 сos t, (1) i = I 0 sin t, (2) u = U 0 сos t, (3) где Q0, I0, U0 - амплитудные значения заряда, тока и напряжения, - циклическая частота колебаний.

По отношению к рис. 82 q соответствует заряду на обкладке 1, i - току, текущему в направлении 1 - L - 2, u - разности потенциалов между обкладками 1 и 2:

u= 1 2. (4) Графики уравнений (1) - (3) приведены на рис. 83. Из уравнений (1) (3) и рис. 83 следует, что колебания заряда q и напряжения u совпадают между собой по фазе и опережают колебания тока i на /2.

Электромагнитные колебания в контуре сопровождаются взаимными превращениями энергии электрического поля конденсатора Еэ в энергию магнитного поля катушки Ем и наоборот. Значения Еэ и Ем определяются емкостью конденсатора С и индуктивностью катушки L:

q q,i,u uq Еэ = (5), 2C i Li Ем = (6).

t В идеальном контуре R = 0 и отсутствуют потери на джоулево тепло, поэтому все Рис. 83. взаимные превращения Еэ и Ем должны происходить в рамках закона сохранения энергии. В любой момент времени q 2 Li Еэ + Е м = + = E = const, (7) 2C где Е - полная энергия колебательного контура.

Для случая, изображенного на рис. 82а, вся энергия контура сосре доточена в форме энергии электрического поля, которая в этот момент времени принимает максимальное значение:

Q Е = Еэ max = (8).

2C К моменту, представленному на рис. 82б, энергия контура сосредо точена в форме энергии магнитного поля катушки, имеющей при этом максимальное значение:

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

LI Е = Ем max = (9).

Циклическая частота и период электромагнитных колебаний Т в идеальном контуре зависят от емкости конденсатора С и индуктивности катушки L. Характер этих зависимостей определяется соотношениями:

=, (10) LC T = 2 LC, (11) где выражение (11) называют формулой Томсона.

Из соотношений (10) и (11) следует, что с ростом С и L колебания в кон туре происходят более медленно (с большим периодом).

Справедливость выражений (10) и (11) нетрудно показать. Ток i для направления 1 - L - 2 (см. рис. 82) связан с зарядом q на обкладке соотношением:

q = q, (12) i = lim 0t t где q - производная от заряда q по времени t, а знак «» учитывает тот факт, что ток i определяется убылью заряда на обкладке 1.

Подставляя уравнения (1) и (2) в соотношение (12), можно найти:

I =.

Q (13) Приравнивая выражения (8) и (9), получаем:

I0 =. (14) Qo LC Сравнивая выражения (13) и (14), приходим к искомому выражению (10).

ВОПРОСЫ 1. В чем заключается отличие электромагнитных колебаний в реальном контуре от электромагнитных колебаний в идеальном контуре?

2. Что представляет собой открытый колебательный контур?

ОТВЕТЫ 1. В реальном контуре электромагнитные колебания сопровождаются не обратимыми потерями на джоулево тепло. Энергия контура умень шается, что выражается в затухании колебаний с течением времени (см.

рис. 84).

2. В открытом колебательном контуре электрическое и магнитное поля локализуются в одной и той же области пространства. Он используется в Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

качестве приемных и передающих антенн.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§4.6. Вынужденные электрические колебания.

Резонанс в электрической цепи В простейшем случае электрические колебания можно наблюдать в цепи, называемой колебательным контуром (рис. 81). Они проявляют себя в колебаниях заряда конденсатора q, напряжения на его обкладках u, тока в контуре i. В идеальном контуре (рис. 81а) эти колебания совер шаются по гармоническому закону с циклической частотой, определяе мой емкостью конденсатора C и индуктивностью катушки L.

=. (1) LC Если под q понимать заряд обкладки 1 (рис. 81а), под i - ток для направления 1 - L - 2, а под u - разность потенциалов между обкладками и 2, то колебания в идеальном контуре будут описываться уравнениями:

q = Q0 сos t, (2) i = I 0 sin t, (3) u = U 0сos t, (4) где Q0, I0, U0 - амплитудные значения заряда, тока и напряжения, t - время, отсчитываемое с момента времени, когда q = Q0.

Графики уравнений (2) - (4) приведены на рис. 83. Из уравнений (2) - (4) и рис. 83 следует, что колебания заряда q и напряжения u совпадают между собой по фазе и опережают колебания тока i на /2.

Колебания в идеальном контуре являются незатухающими. Сопро тивление контура R = 0 и взаимные превращения энергии электрического поля Еэ в энергию магнитного поля Ем (и обратно) происходят без потерь на джоулево тепло. Для любого момента времени q 2 Li Еэ + Е м = + = E = const, (5) 2C где Е - полная энергия контура.

В реальном контуре (рис. 81б) R 0 и прохождение тока сопровож дается необратимым выделением теплоты на сопротивлении. Энергия кон тура с течением времени уменьшается, i что выражается в затухании колебаний как для тока i (рис. 84), так и для заряда t q и напряжения u.

0 Компенсировать затухание можно, включив в реальный контур внешнюю ЭДС (рис. 85), меняющуюся со временем по гармоническому закону:

Рис. 84.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

= 0 sin t, (6) где - циклическая частота, 0 - амплитудное значение внешней ЭДС.

Колебания, создаваемые в контуре внешней ЭДС), называют вы нужденными. Для ЭДС вида (6), они будут гармоническими. Их час тота будет равна частоте внешней ЭДС.

I R L С ~ Рис. 85. Рис. 86.

Амплитуда вынужденных колебаний, которые устанавливаются в контуре, может быть разной. Это зависит от соотношения между частотой внешней ЭДС и собственной частотой колебаний контура. График зависимости амплитуды вынужденных колебаний, устанавливающихся в контуре, от частоты называют резонансной кривой. Ее примерный вид для амплитуды тока приведен на рис. 86.

Наибольшая амплитуда вынужденных колебаний устанавливается при резонансе. Резонансом называют явление резкого возрастания ам плитуды вынужденных колебаний, которое имеет место, когда частота внешней ЭДС сравнивается с собственной частотой колебаний контура, т.е. при (см. рис. 86) =. (7) При резонансе потери энергии на джоулево тепло, выделяющееся на сопротивлении R, компенсируется за счет работы, совершаемой источником ЭДС:

I 2 Rt = I t, (8) I,= где I = действующие значения тока и внешней ЭДС.

2 Из соотношения (8) следует, что при резонансе амплитуда колебаний тока I0 обратно пропорциональна сопротивлению контура R:

, I0 = R (9) т.е. чем меньше R, тем отчетливее проявляется резонанс и выше пик на резонансной кривой (см. пунктирную кривую на рис. 86).

Резонанс сопровождается резким возрастанием напряжений на Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

конденсаторе и катушке индуктивности. Их величина может во много раз превосходить внешнюю ЭДС, включенную в контур. Однако эти напряжения не влияют на величину тока в контуре. При резонансе напряжения на конденсаторе и катушке равны по величине и противо положны по фазе, поэтому компенсируют друг друга. Ток при резонансе определяется внешней ЭДС и сопротивлением контура R (см. (9)).

Явление резонанса находит широкое практическое применение. Оно используется, например, при настройке радиоприемника на частоту передающей станции. Достигается это изменением индуктивности и емкости приемного контура радиоприемника. При этом собственная частота контура сравнивается с частотой радиостанции и в контуре возбуждаются наиболее сильные колебания.

ВОПРОСЫ 1. Какие колебания называют свободными?

2. Каким уравнением описываются вынужденные колебания для тока, создаваемые в контуре ЭДС вида (6)?

3. Что понимают под действующим значением переменного тока?

ОТВЕТЫ 1. Свободными называют колебания, происходящие в контуре при отсут ствии в нем внешней ЭДС. Свободными являются гармонические ко лебания в идеальном контуре и затухающие колебания в реальном кон туре.

2. Колебания описываются уравнением вида (3), амплитуда которых опре деляется резонансной кривой, а частота равна частоте внешней ЭДС.

3. Под действующим значением переменного тока понимают значение та кого постоянного тока, который по своему тепловому действию экви валентен рассматриваемому переменному току.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§4.7. Переменный электрический ток.

Генератор переменного тока. Трансформатор Переменным электрическим током называют ток, величина и направление которого с течением времени могут изменяться. Особый интерес представляет ток i, меняющийся со временем t по синусоидальному закону:

i = I 0 sin( t + 0 ), (1) где I0 - амплитудное значение тока, - циклическая частота, 0 - начальная фаза.

Переменный ток (1), как и постоянный, обнаруживает тепловое и магнитное действия. Прохождение переменного тока по проводнику при водит к его нагреванию. В пространстве, окружающем проводник, пере менный ток создает магнитное поле.

Отличие переменного тока (1) от постоянного проявляется в элек трохимическом действии. Пропускание переменного тока через электролит не сопровождается электролизом (выделением чистого вещества на электродах). Для электролиза необходимо устойчивое движение ионов одного знака к какому-то одному электроду в течение длительного вре мени. Условий для этого при переменном токе (1) нет, поскольку через каждую половину периода катод и анод «меняются местами».

Ток в проводнике будет определяться выражением (1), если на его концы подать напряжение от источника тока с ЭДС, меняющейся со вре менем по аналогичному закону:

= 0 sin( t + 0 ), (2) где 0 - амплитудное значение ЭДС.

Источники, ЭДС которых изменяется со временем по синусоидаль ному закону, называют генераторами переменного тока. В простейшем случае генератор переменного тока представляет собой рамку, вращаю щуюся в магнитном поле(рис. 87). При ее вращении имеет место измене ние магнитного потока Ф через B площадку S, охватываемую рамкой. В рамке при этом будет n индуцироваться ЭДС. В соответствии с законом электро магнитной индукции ее R мгновенное значение Рис. 87.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

Ф = lim = Ф, (3) t 0 t где Ф - производная от магнитного потока по времени.

Магнитный поток через площадку S равен:

Ф = В S сos, (4) где В - индукция магнитного поля, - угол между вектором В и нормалью n к плоскости рамки.

При равномерном вращении рамки = t + 0, (5) где 0 - значение угла при t = 0, - угловая скорость вращения рамки.

В соответствии с выражениями (4) и (5) зависимость магнитного потока Ф от времени t будет иметь вид:

Ф = В S сos( t + 0 ). (6) Используя выражения (3) и (6), нетрудно получить, что индуцируе мая в рамке ЭДС изменяется со временем по синусоидальному закону:

= BS sin( t + 0 ) = 0 sin( t + 0 ), Если теперь рамку замкнуть через скользящие контакты на сопро тивление R (см. рис. 87), то через него потечет переменный синусоидаль ный ток. Согласно закону Ома (для мгновенных значений) = I 0 sin( t + 0 ), i= R+ r где I0 = 0/(R+r), r - сопротивление рамки.

Возникновение ЭДС в рамке, вращающейся в магнитном поле, по ложено в основу работы реально действующих генераторов переменного тока. ЭДС в этих генераторах создается при вращении обмотки с большим количеством витков в поле постоянных магнитов или электромагнитов. В генераторах большой мощности используется обратная схема, в которой обмотка остается неподвижной, а вращается электромагнит.

Сравнительная простота получения переменного тока определяет его широкое использование. Для практического удобства переменный ток характеризуют действующими значениями тока I и напряжения U. Они дают возможность использовать при оценке выделяющейся теплоты Q, работы А и средней мощности Р переменного тока те же самые соот ношения, что и для постоянного тока:

Q = I 2 Rt, (7) P = IU, (8) A = IUt. (9) Действующим значением переменного тока называют значение та кого постоянного тока, который по своему тепловому действию эквива лентен рассматриваемому переменному току. Действующее значение на Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

пряжения определяется аналогично.

Для синусоидального тока действующие (I,U) и амплитудные (I0,U0) значения связаны соотношениями:

I U I= 0, U= 0 (10) 2 Переменный ток удобен для передачи на большие расстояния. С по мощью трансформатора напряжение в цепи переменного тока можно значительно повысить, уменьшив при этом силу тока практически во столько же раз. Это позволяет при том же самом значении передаваемой энергии 1 существенно снизить потери на джоулево тепло в линии электропередач (см.

n2 U2 формулы (7)-(9)). Неудобств с ис U1 n пользованием в цепи потребителя высокого напряжения можно избежать, поставив в конце линии передач понижающий трансформатор.

Трансформатор представляет Рис. 88.

собой устройство для преобразования напряжения в сети переменного тока. Принципиальная схема трансформатора изображена на рис. 88. Он состоит из двух обмоток 1 и 2, связанных индуктивно с помощью ферромагнитного сердечника. Обмотки 1 и 2 имеют разное число витков n1 и n2. Одна из обмоток, соединенная с источником переменного напряжения, называется первичной, другая обмотка, к которой подключен потребитель, - вторичной.

Преобразование напряжения, осуществляемое трансформатором, характеризуется коэффициентом трансформации k:

U k= 2, (11) U где U1, U2 - напряжения в первичной и вторичной обмотках.

Коэффициент трансформации k определяет не только различие нап ряжений, но и различие токов в обмотках 1 и 2 трансформатора:

I2. (12) I1 k При разомкнутой вторичной обмотке (или при малой мощности подключенного потребителя) коэффициент трансформации определяется отношением числа витков в обмотках трансформатора:

n k= 2, (13) n где индексы 1 и 2 соответствуют первичной и вторичной обмоткам.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

Для повышающего трансформатора k 1 (n2 n1 ), для понижающего k 1 (n2 n1).

Справедливость соотношений (11)-(13) можно показать, рассмотрев работу трансформатора для случая разомкнутой вторичной обмотки (или при малой мощности потребителя). Работа трансформатора, вообще говоря, основана на явлении электромагнитной индукции. При пропускании переменного тока через первичную обмотку (например, через обмотку 1 на рис. 88) в сердечнике создается переменный магнитный поток, возбуждающий ЭДС индукции в каждом из витков для обеих обмоток. Мгновенные значения ЭДС, которые индуцируются при этом в обмотках 1 и 2, будут равны:

1 = n1, (14) 2 = n2, (15) - мгновенное значение ЭДС, индуцируемое в одном витке.

где В рассматриваемом случае сопротивлением обмоток трансформатора можно пренебречь, поэтому мгновенные значения напряжений в них будут практически совпадать с мгновенными значениями индуцируемых в обмотках ЭДС, т.е.

u1 = 1 = n1, (16) u2 = 2 = n2. (17) Из соотношений (16) и (17), в частности, следует:

u2 n =. (18) u1 n Так как мгновенные значения напряжений u1 и u2 совпадают по фазе, то их отношение можно заменить отношением действующих значений U1 и U2. В таком случае для коэффициента трансформации можно получить:

U 2 n k= =, (19) U1 n что совпадает с упоминавшимся раннее соотношениями (11) и (13).

При малой величине энергетических потерь в трансформаторе мощность тока, развиваемая в обмотках 1 и 2, практически одинаковая, т.е.

I1 U1 I2 U2.

(20) Отсюда нетрудно получить соотношение (12) 1 U1 I =.

k U2 I ВОПРОСЫ 1. Чему равна частота в сети переменного тока?

2. Какова природа сторонней силы в генераторе переменного тока?

3. С какой целью сердечник трансформатора набирают из отдельных Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

пластин?

ОТВЕТЫ 1. 50 Гц.

2. В генераторе переменного тока (см. рис. 87) роль сторонней силы вы полняет сила Лоренца. Именно она действует на свободные электроны, движущиеся вместе с проводником в магнитном поле, и вызывает их смещение вдоль рамки в процессе ее вращения.

3. Для уменьшения потерь на вихревые индукционные токи, которые бы возникали в сердечнике, если бы он был сплошным.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§ 4.8. Электромагнитные волны. Скорость их распространения.

Свойства электромагнитных волн. Шкала электромагнитных волн Гипотеза о существовании электромагнитных волн была высказана Д. Максвеллом в середине прошлого столетия при теоретическом обобщении экспериментального материала, накопленного физикой к тому времени. Основу теории Д. Максвелла составила идея о взаимной связи электрических и магнитных явлений, согласно которой переменное элек трическое поле порождает вихревое магнитное, а переменное магнитное поле - вихревое электрическое.

В рамках этих представлений возникновение в каком-то месте про странства переменного электрического поля будет приводить к появлению вихревого магнитного поля, которое, являясь переменным, должно, в свою очередь, порождать вихревое электрическое поле и т.д. Конечным результатом этих явлений будет распространение электромагнитных воз мущений в пространстве, названное Максвеллом электромагнитной вол ной.

Из теории Максвелла следовало, что электромагнитные волны поперечные. Векторы напряженности Е и индукции В перпендикулярны друг другу и скорости волны V, колеблются в одной фазе. Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме по Максвеллу должна быть равной 3 108 м/с.

Экспериментально электромагнитные волны обнаружены Г. Герцем в 1888 г. На опыте была зарегистрирована поперечность электромагнитных волн, измерена скорость их распространения в воздухе, оказавшаяся рав ной 3 108 м/с. Эксперименты показали, что электромагнитные волны рас пространяются прямолинейно, могут отражаться, преломляться, интерфе рировать друг с другом, дифрагировать на препятствиях.

Возможность практического использования электромагнитных волн была продемонстрирована А.С. Поповым в опытах (1895 г.) по созданию беспроводной связи.

В настоящее время известны электромагнитные волны с длиной волны от нескольких километров до 10-15 м. Электромагнитные волны подразделяют на радиоволны (длинные, средние, короткие, ультракороткие), световые волны (инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые), волны рентгеновского диапазона и волны, соответствующие -излучению.

Радиоволны могут создаваться электрическими колебаниями в Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

цепях, антеннах, атмосферными разрядами. Свет испускают возбужденные атомы, переходя в невозбужденное состояние.

Рентгеновское излучение сопровождает торможение быстрых электронов, электронные переходы между внутренними уровнями в атомах. излучение наблюдается при радиоактивном распаде атомов, в ядерных реакциях, в процессе взаимопревращения вещества и поля.

Электромагнитное излучение осуществляет перенос энергии от Солнца к Земле. Свет составляет основу жизнедеятельности растений и живых организмов. С помощью света человек получает зрительную информацию об окружающем мире. Электромагнитные волны широко используются в науке, начиная от астрономии и заканчивая физикой микромира. Велико прикладное значение электромагнитного излучения.

Оно применяется в технике, медицине, сельском хозяйстве, военном деле.

ВОПРОСЫ 1. Что понимают под вихревым электрическим полем?

2. Кто является автором гипотезы об электромагнитной природе света?

3. Приведите пример использования электромагнитных волн в астрономии (медицине, связи, технике, сельском хозяйстве, военном деле).

4. Как найти длину волны, зная частоту и скорость распространения света с ?

ОТВЕТЫ 1. Под вихревым электрическим полем понимают поле, силовые линии которого замкнуты.

2. Д. Максвелл.

3. Примером практического использования электромагнитных волн в ас трономии может служить радиотелескоп, используемый для исследования радиоизлучения космических объектов.

4. = с/.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§4.9. Излучение и прием электромагнитных волн.

Принципы радиосвязи. Изобретение радио А.С. Поповым Под электромагнитной волной понимают процесс распростра нения электромагнитных колебаний в пространстве. Возможность су ществования этого процесса обусловлена взаимосвязью электрических и магнитных явлений, в соответствии с которой переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное, а переменное магнитное поле вихревое электрическое.

В зависимости от диапазона длин волн источники электромагнитного излучения могут быть самыми разными. В радиодиапазоне (~ 10-3103 м ) электромагнитные волны создаются электрическими колебаниями в открытом колебательном контуре. В природе роль источников радиоволн выполняют грозовые разряды.

Способность открытого колебательного контура излучать электро магнитные волны объясняется тем, что в нем электрическое и магнитное поля располагаются в одной и той же области пространства. Этим он от личается от обычного (закрытого) колебательного контура (рис. 89а), в котором электрическое поле в основном сосредоточено в конденсаторе, а магнитное - в катушке.

а) б) в) Е Е В В Рис. 89.

Открытый колебательный контур можно получить из закрытого, раздвигая пластины конденсатора при одновременном уменьшении их площади и числа витков в катушке (рис. 89б). В пределе мы придем к прямолинейному проводнику (рис. 89в), который и представляет собой открытый контур. Иначе он называется антенной.

При возбуждении в антенне электрических колебаний она становит ся источником электромагнитных волн. Прием этих волн можно осущест вить, расположив на их пути другую антенну - приемную. Под действием электромагнитной волны в приемной антенне возникнут электрические колебания, которые остается только зарегистрировать, чтобы констатиро вать сам факт приема.

На практике излучение и прием электромагнитных волн впервые Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

осуществил Г. Герц в 1888 г. Для излучения и приема волн он использовал специальную антенну, названную впоследствии вибратором Герца.

Вибратор Герца состоял из двух одинаковых металлических стержней, разделенных искровым промежутком. В процессе опытов (рис. 90) вибратор I заряжался от источника высокого напряжения. После его за рядки в искровом промежутке проскакивала искра, половинки вибратора замыкались и в вибраторе возбуждались высокочастотные колебания, сопровождающиеся излучением электромагнитной волны.

Для приема I II электромагнитной волны использовался вибратор II. Волна Источник возбуждала в нем электрические высокого напряжения колебания, наличие которых можно было зафиксировать по искре, возникающей в искровом промежутке приемного вибратора Рис. 90.

II.

Возможность использования электромагнитных волн для передачи информации была впервые продемонстрирована в опытах А.С. Попова.

Сконструированный им приемник позволял принимать информацию, закодированную в соответствии с азбукой Морзе.

Приемник А.С. Попова реагировал на прием радиоволн звонком.

Система была отрегулирована таким образом, что электрический звонок включался в момент прихода волны и выключался в момент окончания ее приема. Изменяя длительность электромагнитных импульсов, посылаемых излучателем, можно было менять длительность звонка. Для передачи информации достаточно было длинному звонку поставить в соответствие «тире», а короткому - «точку» азбуки Морзе.

Впервые А.С. Попов продемонстрировал свой приемник 7 мая 1895 г., а передачу и прием первой в мире радиограммы - в декабре 1897 г. В соответствие с этим 7 мая считается в нашей стране Днем радио.

Радиосвязь, впервые осуществленная А.С. Поповым, широко исполь зуется для передачи звуковой информации в форме речи, музыки.

Основные процессы, необходимые для передачи и приема такой инфор мации, иллюстрирует рис. 91.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

Передача Прием А А К Детектор ГВЧ Модулятор Микрофон Динамик Звук Звук Рис. 91.

В процессе передачи звук преобразуется микрофоном в электрические колебания звуковой частоты. Эти колебания используют затем для модуляции высокочастотных (несущих) колебаний, вырабатываемых генератором высокой частоты (ГВЧ). При этом происходит своеобразная «запись» звукрвой информации. В простейшем случае она выражается в изменении амплитуды несущих колебаний с частотой звука (амплитудная модуляция). Процесс передачи заканчивается возбуждением в передающей антенне А1 электрических колебаний соответствующего вида и излучением электромагнитной волны.

При приеме волны в антенне А2 возбуждаются электрические колебания того же вида, что и в антенне А1. Для их усиления приемный контур К настраивают на частоту несущих колебаний ( в резонанс). В детекторе из полученного сигнала выделяются колебания звуковой частоты и направляются в динамик, где преобразуются в звук, знаменуя его передачу.

ВОПРОСЫ 1. Каков главный результат опытов Г. Герца?

2. Какое устройство использовал А.С. Попов в своем приемнике для регистрации появления электрических колебаний?

3. Почему в процессе радиосвязи для возбуждения колебаний в антенне нельзя использовать электрические колебания звуковой частоты?

ОТВЕТЫ 1. Главный результат опытов Г. Герца состоит в экспериментальном подтверждении существования электромагнитных волн. Г. Герцу на опыте удалось наблюдать все свойства волн, предсказанные теорией Д.

Максвелла.

2. Роль такого устройства выполнял когерер - стеклянная трубка, запол ненная металлическими опилками. Под действием высокочастотных электрических колебаний они «спекались» и сопротивление когерера падало в сотни раз, что приводило в приемнике А.С. Попова к вклю чению электрического звонка. Возвращение когерера в исходное со стояние происходило под действием ударов молоточка того же звонка Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

по корпусу когерера.

3. Электрические колебания звуковой частоты нельзя использовать для возбуждения колебаний в антенне по той причине, что интенсивность излучения антенны на этих частотах чрезвычайно мала.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§5.1. Прямолинейное распространение света. Скорость света.

Законы отражения и преломления света. Построение изображений в плоском зеркале.

Прямолинейность распространения в однородной среде важнейшая особенность света. Она легко обнаруживается на опыте, свидетельством чего может служить явление образования тени.

Представления о прямолинейном характере распространения света положены в основу геометрической оптики, описывающей распространение света с помощью световых лучей. Под световым лучом в геометрической оптике понимают линию, вдоль которой происходит распространение света. В однородной среде световые лучи представляют собой прямые линии.

Другая особенность света заключается в колоссальной величине скорости его распространения. В вакууме, например, скорость света составляет около 3108 м/с.

Значение скорости света впервые было найдено О. Рёмером в 1676 г. Обнаружив запаздывание в периодичности затмений одного из спутников Юпитера, О. Рёмер посчитал, что оно вызвано прохождением светом дополнительного расстояния, равного диаметру земной орбиты.

Разделив диаметр орбиты d на время запаздывания t, он нашел скорость света. В виду неточности исходных данных для d и t, найденное значение оказалось несколько заниженным (2108 м/с).

В земных условиях скорость света впервые была измерена И. Физо в 1849 г. В установке И. Физо (рис. 92а) луч света от источника S перед б) а) S L З З K K Рис. 92.

попаданием в глаз наблюдателя должен дважды пройти между зубьями колеса К. Первый раз это должно иметь место на пути луча от полупрозрачного зеркала З1 до зеркала З2, второй раз - при обратном ходе луча после отражения от зеркала З2. Если колесо К привести во вращение, то наблюдатель сначала зарегистрирует исчезновение света, а Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

затем его появление. Появление света соответствует такой угловой скорости колеса, при которой за время прохождения светом расстояния 2L (до зеркала З2 и обратно) зубчатое колесо К (рис. 92б) успевает повернуться на угол и луч света опять попадет в пространство между зубьями, достигая глаза наблюдателя. Рассмотренная ситуация возможна при выполнении равенства:

2L, (1) = V где V - скорость света.

Отсюда для скорости света имеем:

2 L. (2) V= При базовом расстоянии L порядка 9 км И. Физо получил значение V, близкое к 3108 м/с.

Скорость света зависит от вида среды. Количественно эту зависимость характеризуют абсолютным показателем преломления n.

c n=. (3) V Абсолютный показатель преломления n показывает, во сколько раз скорость света в вакууме с больше скорости света в среде V.

На границе раздела двух сред 1 и 2 (рис. 93) наблюдается отражение и преломление света.

Закон отражения утверждает, что луч отраженный и луч падающий лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точке падения к границе раздела сред. При этом угол отражения равен углу падения, т.е.

=. (4) Согласно закону преломления луч преломленный и луч падающий лежат в одной плоскости с перпендикуляром, восстановленным в точке падения к Рис. 93.

границе раздела сред. При этом отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред, равная отношению их абсолютных показателей, т.е.

sin n = 2. (5) sin n Используя соотношение (3), выражение (4) можно привести к виду:

sin V =, (6) sin V где V1 и V2 - значения скорости света в средах 1 и 2.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

Из выражения (6), в частности, следует, что сам факт преломления света ( ) вызван различием скорости света в средах 1 и 2.

Закон преломления определяет ход лучей в линзах, закон отражения - в зеркалах. Простейшим зеркалом является плоское зеркало. Оно дает мнимое изображение предмета, которое получается не на пересечении лучей, а на пересечении их продолжений (рис. 94). При этом каждая точка, линия и плоскость предмета отображается в изображении точкой, линией и плоскостью.

2А А Размеры и пропорции предмета в 1 изображении сохраняются без изменений.

Единственное отличие изображения от предмета заключается в том, что оно В зеркально симметрично по отношению к В нему.

Порядок построения изображений в Рис. 94. плоском зеркале иллюстрирует рис. 94. Роль предмета на нем выполняет отрезок АВ. В соответствии со свойствами плоского зеркала его изображением будет отрезок прямой, для построения которого достаточно найти изображения точек А и В.

Изображение точки А можно найти, ограничившись двумя 1 и 2.

После отражения от зеркала их ход будет определяться лучами 1 и 2.

Лучи 1 и 2 являются расходящимися. Наблюдателю они кажутся исходящими из точки А, которая и будет изображением точки А.

Изображение точки В можно найти с помощью лучей 3 и аналогичным образом. Ему будет соответствовать точка В. Соединяя затем точки А и В можно найти искомое изображение предмета.

ВОПРОСЫ 1. Приведите пример нарушения прямолинейного хода световых лучей.

2. Что понимают под оптически более плотной средой?

3. Приведите пример предметов зеркально-симметричных по отношению друг к другу.

4. Где располагается изображение в плоском зеркале?

ОТВЕТЫ 1. Нарушение прямолинейного хода лучей наблюдается, например, в среде с меняющимся показателем преломления n (в неоднородной среде).

2. Под оптически более плотной средой понимают среду с большим показателем преломления n.

3. Типичный пример - правая и левая перчатки.

4. В плоском зеркале изображение располагается за зеркалом на расстоянии, равном расстоянию между предметом и зеркалом.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§5.2. Линза. Фокусное расстояние линзы.

Построение изображений в линзах.

Линзой называют прозрачное тело, ограниченное правильными по верхностями. Если поверхности сферические (рис. 95), то линза сферическая. Точки С1 и С2 на рис. 95 соответствуют центрам сфер 1 и 2, а точки О1 и О2 - их вершинам. Линия С1С2 называется главной оптической осью линзы. Отрезок О1О2 определяет толщину линзы.

б) а) 1 1 С2 С1 С С О1 О2 О1 О Рис. 95.

Линзу считают тонкой, если ее толщиной можно пренебречь по сравнению с другими расстояниями. Для тонкой линзы точки О1 и О практически совпадают а) б) А друг с другом и образуют А общую точку, называемую С2 оптическим центром О С1 О С2 С линзы. Изображают тонкие А А линзы в виде, представленном на рис. 96, Рис. 96.

где точка О соответствует оптическому центру линзы, линия С1С2 - главной оптической оси, а линия АА - некоторой побочной оси.

Изображение предмета, даваемое тонкой линзой, может быть действительным, если образуется пересечением самих лучей. Его можно получить на экране, зафиксировать с помощью светочувствительных материалов (фотопленки) или приборов. Если изображение получается на пересечении продолжений световых лучей, то его называют мнимым.

Регистрируется мнимое изображение лишь глазом человека.

Для тонкой линзы каждая точка, линия и плоскость предмета отображается в изображении соответствующей точкой, линией и плоскостью. Тонкая линза сохраняет в изображении все пропорции предмета. При этом отрезок, перпендикулярный главной оптической оси, отображается отрезком, перпендикулярным ей.

Ход лучей в тонкой линзе определяется формулой линзы:

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

+ = = D, (1) d fF где d - расстояние от линзы до предмета, f - расстояние от линзы до изображения, F - фокусное расстояние, D = 1/F - оптическая сила линзы.

Фокусное расстояние есть расстояние от линзы до фокуса. Фоку сом (главным) собирающей линзы называют точку F, в которой собираются все лучи, падающие на линзу параллельно ее главной оптичес кой оси (рис. 97а). Для рассеивающей линзы (рис. 97б) фокус F - мнимый, поскольку определяется пересечением продолжений лучей, расходящихся после линзы.

Плоскости ФФ на а) б) Ф Ф рис. 97, проходящие че рез фокусы перпендику F лярно главной оптичес F О О кой оси, называют фо кальными. Пересечение побочной оси с фокаль F Ф Ф F ной плоскостью дает побочный фокус. Для Рис. 97.

собирающей линзы в побочном фокусе собираются все лучи, параллель ные соответствующей побочной оси. Побочный фокус рассеивающей линзы представляет собой точку, из которой исходят продолжения лучей, расходящихся после линзы при падении на нее параллельно побочной оси.

Пример построения изображений в собирающей и рассеивающей линзах приведен на рис. 98 а,б.

а) б) F A А 1 К A F В B О В О F B F А f f d d Рис. 98.

На рис. 98а роль предмета выполняет отрезок АВ, перпендикулярный главной оптической оси. В соответствии со свойствами тонкой линзы, его изображением будет отрезок, перпендикулярный главной оси. По этой причине для построения изображения достаточно найти изображение точки А.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

Изображение точки А можно найти, ограничившись двумя лучами и 2. После прохождения линзы их ход будет определяться лучами 1 и 2.

Луч 1 после линзы проходит через фокус линзы F. Луч 2 является продолжением луча 2, поскольку лучи, идущие через оптический центр линзы, не преломляются. Лучи 1 и 2 пересекаются в точке А, которая и будет изображением точки А. Опустив из точки А перпендикуляр на главную оптическую ось, можно найти изображение предмета АВ.

Из рис. 98а,б следует, что увеличение линзы определяется выражением:

А В f Г= =. (2) АВ d Воспользовавшись рис. 98а, можно вывести формулу линзы (1). Из подобия треугольников ОКF и BAF следует:

fF А В. (3) = АВ F Приравнивая правые части равенств (2) и (3), получаем:

f f 1. (4) = dF Отсюда после деления на f можно найти:

=, dFf что совпадает с формулой линзы (1).

ВОПРОСЫ 1. Точечный источник располагается в фокусе собирающей линзы. Как пойдут лучи после линзы?

2. Откуда следует, что лучи, падующие на собирающую линзу параллельно побочной оси, собираются в побочном фокусе?

3. Какой дефект зрения исправляют с помощью очков с рассеивающими линзами?

4. Что является единицей оптической силы D в СИ?

5. Как надо применять формулу (1) для рассеивающей линзы?

ОТВЕТЫ 1. После линзы лучи пойдут параллельно главной оптической оси.

2. Это следует из формулы линзы. Параллельные лучи можно считать исходящими из бесконечно удаленного источника. Для него d =, поэтому f = F (см. формулу (1).

3. Близорукость.

4. Единицей оптический силы D в СИ является диоптрия (1дптр) оптическая сила линзы с фокусным расстоянием в 1м.

[D] = 1 м-1 = 1 дптр.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

5. Для рассеивающей линзы в формуле (1) значениям F и f следует приписывать знак «–».

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§5.3. Когерентность. Интерференция света и ее применение в технике Интерференцией света называют сложение световых волн, которое приводит к усилению света в одних точках пространства и ослаблению его в других. Интерференция не противоречит закону сохранения энергии. В процессе интерференции происходит перераспределение энергии из областей ослабления света в области его усиления.

Сложение света может приводить к устойчивой во времени интерференционной картине лишь для когерентных волн. Когерентными называют волны с одинаковой частотой, для которых разность фаз не меняется с течением времени.

Обычные источники испускают некогерентный свет. Это вызвано случайным характером испускания света отдельными атомами, при котором отсутствует согласованность испускаемых волн по фазе.


Когерентные волны можно получить из обычной волны, разбивая ее на части. Подобное разбиение наблюдается, например, при падении света на тонкую прозрачную пленку (рис. 99а). При этом образуются две пары когерентных волн 1, 2 и 3, 4. В соответствии с законом сохранения энергии характер интерференции в отраженном и проходящем свете различен.

Если волны 1 и 2 при интерференции гасят друг друга, то волны 3 и 4 усиливают и наоборот.

а) б) S1 A B S S Рис. 99.

Интерференция придает окраску тонким пленкам при их освещении белым светом. Если пленка имеет форму правильного клина, то в монохроматическом свете интерференционная картина представляет собой чередование светлых и темных полос, параллельных друг другу. В белом свете полосы имеют радужную окраску.

В опыте Юнга (рис. 99б) разделение падающей волны 0 на две коге рентные части 1 и 2. осуществляется с помощью двух щелей S1 и S2. За счет дифракции на этих щелях волны 1 и 2 распространяются в форме широких взаимно перекрывающихся пучков. На участке экрана АВ волны Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

1 и 2 накладываются и интерферируют. В монохроматическом свете интерференционная картина имеет вид чередующихся темных и светлых полос. В белом свете полосы имеют радужную окраску.

Результат интерференции двух когерентных волн, накладывающихся в некоторой точке пространства, определяется разностью хода:

l = l1 l2, (1) где l1 и l2 - расстояния от рассматриваемой точки до источников свето вых волн.

Наибольшее усиление света наблюдается в точках, для которых разность хода равна четному числу полуволн, т.е.

l = 2k, (2) где - длина световой волны, k = 0, ±1, ±2,....

В точках, для которых разность хода равна нечетному числу полуволн:

l = ( 2 k + 1), (3) имеет место ослабление света.

Условие (2) соответствует случаю, когда в точку одновременно приходят «гребни» («впадины») складывающихся волн. При выполнении условия (3) имеет место сложение «гребня» одной волны с «впадиной»

другой, в результате чего волны гасят друг друга.

Интерференция находит широкое применение в науке и технике.

Она положена в основу работы специальных оптических устройств, называемых интерферометрами. Интерферометры используются для измерения длины волны света, показателя преломления, малых угловых и линейных перемещений.

С помощью интерференции, например, «просветляют» объективы, состоящие из большого числа линз. Многократное отражение света от поверхностей этих линз приводит к тому, что объектив способен пропускать лишь незначительную часть падающего на него света. Долю проходящего через объектив света можно существенно увеличить, покрыв поверхности линз тонкой прозрачной пленкой. Толщина пленки при этом должна быть такой, чтобы имело место гашение отраженного (волны 1, на рис. 99а) и усиление проходящего (волны 3, 4 на рис. 99а) света.

«Просветление» объективов обычно проводят для желто-зеленых лучей, соответствующих максимальной чувствительности глаза человека.

Для красных и фиолетовых лучей гашение практически отсутствует. От ражаясь от просветленного объектива они придают ему сиреневую окраску.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

ВОПРОСЫ 1. Приведите пример интерференции, который можно наблюдать в обычной жизни.

2. Что представляют собой, так называемые, кольца Ньютона?

3. Почему в белом свете интерференционные полосы имеют радужную окраску?

ОТВЕТЫ 1. В обычной жизни интерференция проявляет себя в радужном цвете бензиновых пятен на мокром асфальте, в переливающейся окраске оперения птиц, в радужном цвете мыльных пузырей и т.д.

2. Кольца Ньютона являются результатом интерференции света в тонком воздушном зазоре в месте контакта сферической линзы с плоской по верхностью. Воздушный зазор имеет форму клина с осевой симметрией, поэтому интерференционная картина имеет вид концентрических колец (колец Ньютона).

3. Это вызвано тем, что в формулы (2) и (3), определяющие результат интерференции, входит длина волны, значение которой для видимых лучей изменяется от 400 до 750 нм.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§ 5.4. Дифракция света. Дифракционная решетка Под дифракцией света понимают явление, проявляющее себя в огибании светом препятствий, в заходе света в область тени (рис. 100).

Она относится к числу явлений, непосредственно свидетельствующих о волновой природе света. Дифракция свойственна всем волновым процессам. Ее происхождение объясняется принципом Гюйгенса:

Каждая точка среды, куда приходит световое возмущение, сама становится источником вторичных волн, огибающая которых определяет новое положение волновой поверхности в следующий момент времени.

С a) б) Тень этой точки зрения Тень попадание S S света в область Тень Рис. 100. тени (см.

лучи 1 и 1 на рис. 100 а,б) определяется именно вторичными волнами, испускаемыми точками среды на границе с препятствием.

Отчетливо дифракция проявляется в случаях, когда размеры препятствия (отверстия) соизмеримы с длиной волны. Для видимого света ( = 400 750 нм) дифракцию удается наблюдать лишь с помощью специально поставленных опытов. Впервые это было сделано в опытах Юнга (рис. 99б). Было зарегистрировано расширение световых пучков при падении света на узкие щели S1 и S2. Расширение было таким, что пучки частично перерывались и в области, где это происходило, наблюдалась отчетливая интерференционная картина.

На явлении дифракции основана работа оптического устройства, называемого дифракционной решеткой. Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа одинаковых узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками одной и той же ширины. Характеризуют решетку периодом d, равным суммарной ширине щели и непрозрачного промежутка.

При падении света на решетку в каждой из ее щелей наблюдается дифракция, в результате которой свет после решетки распространяется по всевозможным направлениям. Установив на пути света собирающую линзу, можно собрать параллельные лучи в соответствующих точках ее фокальной плоскости. Рис. 101 иллюстрирует это на примере трех лучей, дифрагирующих под углом к своему первоначальному направлению.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

Собираясь в точке А, световые лучи, идущие от разных щелей, будут интерферировать. Результат интерференции определяется разностью хода.

Для волн, исходящих от соседних щелей ( рис. 101), разность хода l = d sin, (1) поскольку линза не вносит дополнительной разности хода (это определяется свойствами самой линзы).

Усиление света будет иметь место при равенстве l четному числу полуволн (целому числу длин волн ):

d sin = k, (2) где k = 0, ±1, ±2,....

Выражение (2) d называют условием главных максимумов.

Оно определяет значения угла, при l которых наблюдается усиление света главные максимумы.

Главные O максимумы можно наблюдать визуально, расположив в A Экран фокальной плоскости линзы экран (см. рис.

Рис. 101. 101). В центре наблюдаемой интерференционной картины будет располагаться центральный максимум, соответствующий значению k = 0 ( = 0). По обе стороны от него будут располагаться максимумы 1-го (k = ±1), 2-го (k = ±2) и более высоких порядков.

При падении на решетку белого света центральный максимум будет белым. Каждый из остальных максимумов разложится в спектр, обращенный к центру картины фиолетовой стороной.

Дифракционная решетка широко используется для измерения длины волны света. Если период решетки d известен, то определение длины волны (см. формулу (2)) сводится к измерению угла, определяющего положение главного максимума. Соответствующие измерительные приборы называют дифракционными спектрометрами.

ВОПРОСЫ Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

1. Какое явление наряду с дифракцией свидетельствует о волновой природе света?

2. Почему при падении света максимумы 1-го и более высоких порядков, даваемые дифракционной решеткой, разлагаются в спектр?

3. Почему дифракционные максимумы 1-го и более высоких порядков обращены к центру интерференционной картины фиолетовой стороной?

ОТВЕТЫ 1. Например, интерференция света.

2. Это следует из условия (2). При k 0 углы, удовлетворяющие условию (2), будут зависеть от длины волны.

3. Из условия (2) следует, что при k 0 значения угла ф, соответствую щие максимумам фиолетового света, всегда меньше соответствующих значений угла к для красного света, поскольку длина волны ф к. В соответствии с этим все спектры 1-го и более высоких порядков обращены к центру интерференционной картины фиолетовой стороной.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§5.5. Дисперсия света. Непрерывный и линейчатый спектры.

Спектральный анализ Дисперсией света называют зависимость скорости света от частоты (длины волны). Ее можно определить и как зависимость показателя преломления от частоты (длины волны), поскольку показатель преломления вещества n и скорость света V в веществе связаны между собой:

c n=, (1) V где с - скорость света в вакууме.

Согласно опытным данным дисперсия света в вакууме отсутствует.

Она обнаруживается лишь при распространении света в веществе.

Характер дисперсии зависит от вида вещества и длины волны. Для стекла, например, в области видимых лучей ( = 400750 нм) наблюдается увеличение скорости света и уменьшение показателя преломления с ростом длины волны (при переходе от фиолетовых лучей к красным). В парах йода на некотором участке в видимой части спектра можно наблюдать противоположный эффект.

Дисперсия проявляется в разложении света на составные части при преломлении на границе раздела двух сред. В призме свет преломляется дважды и разложение света в ней обнаруживается более отчетливо.


Схема простейшей установки для разложения света на составные части (спектрограф) изображена на рис. 102. Роль источника света в ней выполняет щель S. Она Л1 располагается в фокусе линзы Л1, поэтому Л П S после нее свет падает 1 2 1 Э на призму П параллельным пучком.

2 S В призме свет S разлагается на Рис. 102.

составные части по длинам волн. При этом лучи с длиной волны 1 испытывают одинаковое отклонение к основанию призмы. Они будут падать на линзу Л параллельно и соберутся в ее фокальной плоскости, образуя на экране Э изображение щели S1 в лучах с длиной волны 1. Это изображение называют спектральной линией.

Лучи с длиной волны 2 дадут другое изображение щели S2 - другую спектральную линию. Число таких линий будет равно числу составляющих Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

в свете, исходящем от щели S.

Совокупность спектральных линий, на которое разлагается излуче ние, называют спектром. Спектр может быть непрерывным, полосатым, линейчатым.

Непрерывные спектры дают тела, находящиеся в твердом и жидком состояниях. Для получения спектра их необходимо нагреть до высокой температуры. Солнечное излучение также имеет непрерывный спектр. В нем представлены все длины волн, поэтому спектральные линии взаимно перекрываются и спектр представляет собой сплошную полосу. В области видимого света она имеет радужную окраску.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном состоянии. Для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке с исследуемым газом. Линейчатые спектры состоят из сравнительно небольшого числа спектральных линий, разделенных темными промежутками. Это говорит о том, что атомы химических элементов испускают свет со строго определенным набором длин волн. Вид линейчатого спектра глубоко индивидуален для каждого элемента, является его характерным признаком.

Полосатые спектры состоят из отдельных широких полос, разделенных темными промежутками. Каждая полоса при этом образована большим количеством близко расположенных спектральных линий.

Полосатые спектры дают вещества, находящиеся в молекулярном состоянии.

Исследование спектров представляет интерес как в научном, так и в прикладном отношении. Данные о линейчатых спектрах, например, позволили физике «заглянуть» внутрь атома, выявить особенности его внутреннего строения. Они сыграли важную роль в экспериментальном обосновании атомной физики. Индивидуальность линейчатых спектров атомов используется для выявления химического состава вещества. Этот подход составляет основу, так называемого, спектрального анализа. Одно из его достижений состоит в открытии новых элементов, таких как рубидий, цезий, гелий и т.д.

Спектральный анализ используется в астрономии для изучения состава атмосферы планет, химического состава звезд. Он находит широкое применение в металлургии, материаловедении, атомной и химической индустрии, медицине, криминалистике.

ВОПРОСЫ 1. На рис. 102 роль элемента, разлагающего свет на составные части, выполняет призма. Какое другое оптическое устройство можно использовать для этой цели?

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

2. Что представляет собой спектр поглощения?

3. Чем определяется линейчатый характер спектра?

ОТВЕТЫ 1. Для разложения света на составные части можно использовать дифрак ционную решетку.

2. Спектр поглощения можно получить, пропуская свет с непрерывным спектром через холодное вещество. Для газов спектр поглощения обратим по отношению к спектру испускания. Газ поглощает те же длины волн, которые он испускает в нагретом состоянии. Спектр поглощения газа представляет собой совокупность узких темных линий на фоне непрерывного спектра. При этом положение линий поглощения совпадает с положением спектральных линий в спектре испускания.

3. Линейчатый характер спектра атома определяется тем, что энергия ато ма может принимать лишь дискретный ряд значений.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§ 6.1. Принцип относительности Эйнштейна. Скорость света в вакууме как предельная скорость передачи сигнала.

Связь между массой и энергией В течение длительного времени физиков интересовал вопрос о возможности обнаружения «абсолютного» движения - движения относительно системы отсчета, находящейся в «абсолютном» покое. Эту систему отсчета в физике связывали с гипотетической средой, называемой мировым эфиром.

Положение осложнялось тем, что в рамках механики обнаружить покоящуюся систему отсчета нельзя. Это запрещено принципом относительности Галилея, согласно которому никакими механическими опытами невозможно установить покоится система отсчета или движется равномерно и прямолинейно.

После установления электромагнитной природы света мировой эфир стали рассматривать в качестве носителя электромагнитных волн. В связи с этим возникла идея об использовании оптических опытов для его обнаружения. Было предпринято несколько попыток в данном направлении. Наибольшую значимость в этом отношении имеют опыты Майкельсона (1881 г.).

Цель опытов Майкельсона состояла в обнаружении движения Земли относительно мирового эфира. Опыт дал отрицательный результат.

Мировой эфир, если он и существует, должен двигаться вместе с Землей и не может представлять какого-либо интереса как система отсчета.

Из опытов также следовало, что скорость света одинакова во всех системах отсчета, что в корне противоречило классическому принципу относительности. Возникшие противоречия удалось разрешить А.

Эйнштейну. Основу его теории составили два постулата:

1. Принцип относительности - никакими физическими опытами невозможно обнаружить покоится система отсчета или движется равномерно и прямолинейно.

2. Принцип постоянства скорости света - скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источника и приемника.

Основываясь на этих двух постулатах, А. Эйнштейн разработал новую механику - механику тел движущихся со скоростями, соизмеримыми со скоростью света. Ее называют релятивистской механикой или (специальной) теорией относительности.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

Являясь более общей теорией, механика Эйнштейна установила границы применимости механики Ньютона - область малых скоростей. В отличие от механики Ньютона в ней пространство и время неразрывно связаны друг с другом. Длина отрезка и длительность промежутка времени зависят от выбора системы отсчета. Масса т возрастает при увеличении скорости движения тела V:

m m= V2, (1) 1 c где с - скорость света в вакууме, т0 - масса покоя тела.

Из выражения (1), в частности, следует, что при приближении скорости V к скорости света с масса тела т становится бесконечно большой. Это делает невозможным дальнейшее увеличение скорости тела V, поскольку бесконечно большая инертность тела требует действия бесконечно больших сил. Увеличить скорость тела, превысив значение скорости света с, нельзя. В теории относительности скорость света в вакууме есть предельная скорость движения тела и передачи сигнала.

Новым результатом теории относительности стало установление связи между массой и энергией:

Е = тс2, (2) где Е - полная энергия тела, т - масса тела, определяемая формулой (1).

Несмотря на кажущуюся необычность, теория относительности подтверждается экспериментально. Благодаря ей становится понятным, почему некоторые элементарные частицы (µ-мезоны), рождающиеся в верхних слоях атмосферы, благополучно достигают поверхности Земли, хотя по часам наблюдателя, связанного с Землей, они должны к этому времени распасться. Связь массы и энергии находит подтверждение в ядерной физике при расчетах энергии связи атомных ядер и энергетического выхода ядерных реакций. Зависимость массы от скорости учитывается на практике в работе циклических ускорителей заряженных частиц. Без учета этой зависимости они просто не смогли бы работать.

ВОПРОСЫ 1. Как формулу (2) используют для нахождения энергии связи ядра?

2. Что понимают по массой покоя тела?

ОТВЕТЫ Ec = m c 2, 1. Энергия связи где т - дефект массы, равный разности между суммарной массой нук лонов, образующих ядро, и массой ядра Мя.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

т = [mp Z + mn(A - Z)] - Mя, где mp, mn - массы протона и нейтрона, Z, A - зарядовое и массовое числа.

2. Под массой покоя понимают массу покоящейся частицы.

§ 7.1. Фотоэффект и его законы. Кванты света. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Постоянная Планка.

Применение фотоэффекта в технике Фотоэффектом (внешним) называют явление выбивания электро нов из металла под действием света. Фотоэффект впервые был обна ружен Г. Герцем. Важную роль в изучении его свойств сыграл Н.Г. Сто летов.

б) I а) К А Г Iн е V -U0 U Рис. 103.

На рис. 103а изображена установка для изучения фотоэффекта. Ее основным элементом является вакуумированный баллон с двумя электро дами - анодом А и катодом К. Напряжение между анодом и катодом соз дается источником тока и может измеряться с помощью вольтметра V.

Гальванометр Г служит для регистрации фототока, возникающего в цепи при выбивании электронов из катода под действием света.

Зависимость фототока I от напряжения U между катодом и анодом (вольтамперная характеристика фотоэффекта) имеет вид, представленный на рис. 103б. Ток Iн называют током насыщения. Он соответствует слу чаю, когда все фотоэлектроны, выбиваемые за какое-то время светом из катода, за то же самое время переносятся электрическим полем на анод.

Значение U0 определяет задерживающее напряжение, начиная с которого фототок в цепи прекращается. При U = U0 работа, которую не обходимо совершить по преодолению задерживающего поля, сравнивается с максимальной кинетической энергией фотоэлектронов, получаемой ими в результате фотоэффекта.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

Зная U0 и Iн, нетрудно найти максимальную кинетическую энергию Ек, которую может получить электрон при фотоэффекте, и число фотоэлектронов n, выбиваемых ежесекундно с катода:

Ек = U 0 | q |, (1) I n= н, (2) | q| где q - заряд электрона.

Экспериментально были установлены следующие законы фото эффекта:

1. Количество электронов, вырываемых светом за 1с из металла, прямо пропорционально поглощаемой за это времени энергии.

2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрас тает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

3. Фотоэффект имеет место, если частота света превышает часто ту «красной границы фотоэффекта», т.е. при к, (3) где к - частота красной границы фотоэффекта, зависящая от материала катода и состояния его поверхности.

Второй и третий законы фотоэффекта сыграли важную роль в ста новлении квантовых представлений о природе света. Они находились в прямом противоречии с волновой теорией, в рамках которой энергия электронов должна определяться не частотой, а интенсивностью света, и красной границы фотоэффекта не должно быть вообще.

Сложившееся противоречие было разрешено А. Эйнштейном. При объяснении фотоэффекта он обратился к гипотезе М. Планка, согласно которой свет испускается порциями (квантами). Энергия кванта согласно М. Планку равна:

Е = h, (4) - где h = 6,6210 Джс - постоянная, названная впоследствии его именем.

Развивая идеи М. Планка, А. Эйнштейн допустил, что свет не только испускается, но распространяется и поглощается в форме квантов. В соответствии с этим энергия кванта должна расходоваться при фотоэффекте на совершение работы выхода электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии, т.е.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

mV h = A +, (5) где А - работа выхода, т - масса электрона, V - максимальная скорость фотоэлектронов.

Уравнение (5) называют уравнением Эйнштейна. Оно объясняет все законы фотоэффекта, подтверждая квантовую природу света. Число фотоэлектронов будет пропорционально числу квантов, а соответственно, и поглощаемой энергии света. Линейная зависимость кинетической энергии фотоэлектронов от частоты является очевидным следствием уравнения (5). Находит свое объяснение и красная граница фотоэффекта.

Согласно уравнению (5) фотоэффект возможен, если h A, А.

или (6) h Отсюда следует, что частота красной границы фотоэффекта А к=. (7) h Фотоэффект широко используется в науке и технике для преобразования световой информации в электрическую. Соответствующие приборы называют фотоэлементами. Они входят в состав многих автоматических устройств, управляемых с помощью света (счетчики, сигнальные и охранные системы, автоматы для включения и выключения освещения и т.д.). Фотоэлементы позволили создать звуковое кино. Они применяются для регистрации ультрафиолетового и инфракрасного излучения.

Фотоэффект сделал возможным телевидение. Он положен в основу работы приборов ночного видения. Специальные виды фотоэффекта используются в солнечных батареях для преобразования световой энергии в электрическую и т.д.

ВОПРОСЫ 1. Какой фотоэффект называют внутренним?

2. Как устроен вакуумный фотоэлемент?

3. Приведите пример явлений, свидетельствующих о волновой и квантовой природе света.

4. Кто установил первый закон фотоэффекта?

ОТВЕТЫ 1. В полупроводниках под действием света валентный электрон может переходить разряд свободных. Это явление называют внутренним Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

фотоэффектом. Оно положено в основу работы фоторезисторов, сопротивление которых убывает при росте освещенности.

2. В простейшем случае фотоэлемент представляет собой вакуумированную стеклянную колбу, половина которой покрыта изнутри слоем металла с малой работой выхода. Этот слой выполняет роль катода. Анод выполнен в виде кольца, установленного в центре колбы. Освещение катода происходит со стороны той части колбы, которая не покрыта металлом.

3. Интерференция и дифракция свидетельствуют о волновой природе света, а фотоэффект – о квантовой.

4. Н.Г. Столетов.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

§ 7.2. Опыты Резерфорда по рассеянию -частиц.

Ядерная модель атома. Состав ядра атома. Изотопы Опыты Резерфорда по рассеянию -частиц посвящены исследованию роли и места положительного электрического заряда в атоме. Они были поставлены Э. Резерфордом в начале века, когда достоверно было известно только то, что электроны должны входить в состав атома. Характер расположения положительного заряда в атоме на тот момент времени был неизвестен.

a) б) +Ze -e -e -e Рис. 104.

Схема опытов Э. Резерфорда приведена на рис. 104а. В процессе опытов -частицы, испускаемые источником 1, рассеивались на тонкой фольге 2. О результатах рассеяния судили по световым вспышкам, возникающим на экране 3 под действием -частиц. Вспышки регистрировались визуально с помощью специального микроскопа.

Опыты показали, что рассеяние наблюдается лишь для незначитель ного числа -частиц. Угол рассеяния при этом может быть самым разным, а для отдельных частиц даже превышать 90о.

Теоретический анализ экспериментальных данных привел Э.

Резерфорда к выводу, что положительный заряд атома (а соответственно и его масса) сосредоточены в ядре исчезающе малого размера. По оценкам Э.Резерфорда диаметр ядра должен составлять 10-15 м, что на целых 5!!!

порядков меньше размеров самого атома (10-10 м ). Так как атом электрически нейтрален, то заряд ядра q = +Ze, (1) где e - элементарный заряд (модуль заряда электрона), Z - число электронов в атоме, равное (как показали дальнейшие иссле дования) порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева.

Полученные результаты позволили Э. Резерфорду предложить планетарную модель внутреннего устройства атома. Согласно этой модели, каждый атом можно уподобить своеобразной солнечной системе, где роль Солнца отведена ядру, а роль планет, вращающихся вокруг Солнца, - электронам (рис. 104б).

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

Объясняя результаты рассеяния -частиц, планетарная модель атома вступала в противоречие с классической физикой, согласно которой систе мы, подобные планетарной модели, существовать долго не могут. Элект рон, движущийся с центростремительным ускорением по орбите, будет непрерывно излучать электромагнитные волны. Его энергия при этом будет уменьшаться и он достаточно быстро (в течение примерно 10-6 с) должен упасть на ядро.

Свое право на существование планетарная модель получила благодаря теоретическим исследованиям Н. Бора, который усматривал причину отмеченного противоречия не в недостатках планетарной модели, а в ограниченности самой классической теории, непригодной для описания свойств атома.

Основу теории Н. Бора составили два постулата. Первый постулат утверждает, что атом может существовать только в особых стационарных состояниях с энергией Еn, не излучая и не поглощая энергии.

В соответствии с вторым постулатом, атом излучает и поглощает энергию лишь при переходе из одного стационарного состояния в другое, причем каждый переход сопровождается излучением или поглощением одного кванта энергии, т.е.

h = En - Em, (2) где h - постоянная Планка, - частота излучения, En, Em - значения энергии атома в стационарных состояниях.

Теория Н. Бора превращала планетарную модель атома в устойчивую систему. Согласно Н. Бору, электрон в атоме может двигаться не по любым, а лишь по особым стационарным орбитам, соответствующим стационарным состояниям атома. Находясь на такой орбите, электрон не может упасть на ядро, поскольку не излучает и не поглощает энергии. Из лучение и поглощение энергии происходит лишь при его переходе с одной стационарной орбиты на другую.

Утверждая существование ядра в атоме, планетарная модель Бора Резерфорда не определяет границу проникновения человека вглубь веще ства. На сегодняшний день в физике сложились устойчивые представления о сложном составе и строении самого атомного ядра. Согласно протонно нейтронной гипотезе, ядра всех атомов состоят из частиц двух видов протонов и нейтронов, называемых нуклонами.

Курс по физике для дистанционного обучения абитуриентов. Подготовил профессор Кирьяков Б.С.

Протон 1 р представляет собой тяжелую частицу, его масса почти в 1840 раз больше массы электрона. Протон стабилен. Его заряд положителен и равен элементарному заряду е = 1,610-19 Кл.

Нейтрон 01 n - тяжелая частица. Его масса несколько больше (на 2, массы электрона) массы протона. Вне ядра нейтрон нестабилен. Период полураспада нейтрона составляет около 12 мин. Нейтрон электрически нейтрален.

Открыт нейтрон в 1932 г. Д. Чадвиком как непонятное излучение, испускаемое бериллием при его бомбардировке -частицами. Оно хорошо задерживалось парафином, но не испытывало воздействия со стороны магнитного поля. Позже Д. Чадвик пришел к выводу, что это излучение соответствует потоку нейтральных частиц, названных впоследствии нейтронами.

Число нуклонов в ядре определяется массовым числом А, а число протонов - зарядовым числом Z, равным порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. Ядро атома обозначается в виде:

A X, (3) Z где Х - химический символ элемента.



Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.