ответы по физике. Механика механическое движение. Траектория движения. Пройденный путь. Скорость движения. Ускорение движения
 Скачать 1.28 Mb.
|
|
3.Электрический ток. Сила тока. Плотность тока. Электродвижущая сила. Напряжение. Электрическое сопротивление проводников. Электрический ток в металлах. Закон Ома . Закон Ома в дифференциальной форме. Работа электрического поля. Закон Джоуля-Ленца. 19 Электрический ток — упорядоченное нескомпенсированное движение свободных электрически заряженных частиц, например, под воздействием электрического поля. Сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за интервал времени Δt, к этому интервалу времени: Плотность тока — векторная физическая величина, имеющая смысл силы тока, протекающего через единицу площади. Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей в электрической цепи или на ее участке. Напряжение ( U ) равно отношению работы электрического поля по перемещению заряда к величине перемещаемого заряда на участке цепи. Электрическое сопротивление — физическая величина, характеризующая свойства проводника препятствовать прохождению электрического тока и равная отношению напряжения на концах проводника к силе тока, протекающего по нему. Электрический ток в металлах – это упорядоченное движение электронов под действием электрического поля Закон Ома — физический закон, определяющий связь между Электродвижущей силой источника или напряжением с силой тока и сопротивлением проводника Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого проводника и обратно пропорциональна его сопротивлению: I = U / R; [A = В / Ом] Закон Ома в дифференциальной форме Сопротивление зависит как от материала, по которому течёт ток, так и от геометрических размеров проводника. Полезно переписать закон Ома в так называемой дифференциальной форме, в которой зависимость от геометрических размеров исчезает, и тогда закон Ома описывает исключительно электропроводящие свойства материала. Для изотропных материалов имеем: где: — вектор плотности тока, — удельная проводимость, — вектор напряжённости электрического поля. Работа электрического тока, совершаемая на участке цепи, прямо пропорциональна силе тока в цепи, напряжению на этом участке и времени действия тока. Закон Джоуля — Ленца — физический закон, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. 20 Количество теплоты, выделяемое в единицу времени в рассматриваемом участке цепи, пропорционально произведению квадрата силы тока на этом участке и сопротивлению участка 4.Магнитное взаимодействие. Индукция и напряженность магнитного поля. Сила Ампера. Индукция магнитного поля элемента тока(закон Био-Савара-Лапласа),прямого проводника с током, соленоида. Действие магнитного поля на движущийся точечный электрический заряд. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в электрическом и магнитных полях Источниками магнитного поля являются движущиеся электрические заряды (токи). Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем проводники с током, подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле. Магнитное поле постоянных магнитов также создается электрическими микротоками, циркулирующими внутри молекул вещества (гипотеза Ампера). Напряжённость магнитного поля — (стандартное обозначение Н) это векторная физическая величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности M , где - магнитная постоянная [А/м] Магнитная индукция — векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля (его действия на заряженные частицы) в данной точке пространства. Определяет, с какой силой магнитное поле действует на заряд , движущийся со скоростью . На проводник с током, находящийся в магнитном поле, дейсутвует сила, равная F = I- сила тока в проводнике; B- модуль вектора индукции магнитного поля; L- длина проводника, находящегося в магнитном поле; - угол между вектором магнитного поля инаправлением тока впроводнике. Силу, действующую на проводник с током в магнитном поле, называют силой Ампера. Максимальная сила Ампера равна: F=I·L·B Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции В входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующей на отрезок проводника с током, то есть силы Ампера Закон Био Савара Лапласа — Магнитное поле любого тока может быть вычислено как векторная сумма полей, создаваемая отдельными участками токов Магнитное поле прямого тока: Магнитное поле кругового тока: магнитная индукция внутри соленоида: Вне соленоида В=0 Сила Лоренца - сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся электрически заряженную частицу. где q - заряд частицы; V - скорость заряда; B - индукции магнитного поля; a - угол между вектором скорости заряда и вектором магнитной индукции. 21 Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки: Если поставить левую руку так, чтобы перпендикулярная скорости составляющая вектора индукции входила в ладонь, а четыре пальца были бы расположены по направлению скорости движения положительного заряда (или против направления скорости отрицательного заряда), то отогнутый большой палец укажет направление силы Лоренца Так как сила Лоренца всегда перпендикулярна скорости заряда, то она не совершает работы Движение частицы с зарядом q и массой m в однородном постоянном электрическом поле напряженностью . Напряженность поля в этом случае не зависит ни от координат, ни от времени (такое поле возникает, например, в заряженном плоском конденсаторе, отсоединенном от источника). Следовательно, на заряженную частицу со стороны поля действует постоянная сила , которая сообщает частице постоянное ускорение При движении заряженной частицы в однородном постоянном магнитном поле на нее действует сила Лоренца . Если начальная скорость частицы перпендикулярна вектору магнитной индукции поля, то заряженная частица движется по окружности 5.Работа магнитного поля при движении проводника с током. Магнитный поток. Индуктивность контура. Индуктивность соленоида Работа, совершаемая магнитным полем, равна так как ldx=dS — площадь, пересекаемая проводником при его перемещении в магнитном поле, BdS=dФ — поток вектора магнитной индукции, пронизывающий эту площадь. Магнитным потоком через поверхность называется величина Ф, определяемая соотношением: Φ = B · S · cos α Единица измерения магнитного потока в систем СИ - 1 Вебер (1 Вб). 1 Вб = 1 Тл · 1 м 2 Индуктивность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является этот контур. В формуле — магнитный поток, — ток в контуре, — индуктивность. формула для индуктивности соленоида (без сердечника): Если катушка внутри полностью заполнена магнитным материалом (сердечником), то индуктивность отличается на множитель — относительную магнитную проницаемость [14] сердечника: 6.Электромагнитная индукция. Э.Д.С. индукции. Самоиндукция. Энергия магнитного поля. Электромагнитная индукция — явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, проходящего через него. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением 22 где — поток магнитного поля через замкнутую поверхность , ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре Самоиндукция — возникновение ЭДС индукции в замкнутом проводящем контуре при изменении тока, протекающего по контуру. энергия W м магнитного поля катушки с индуктивностью L, создаваемого током I, равна 7.Колебательный контур. Электромагнитные колебания. Период электромагнитных колебаний( Формула Томсона). Открытый колебательный контур(антенна). Колебательный контур — осциллятор, представляющий собой электрическую цепь, содержащую соединённые катушку индуктивности и конденсатор. Колебательный контур — простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания Периодические изменения во времени электрического заряда (силы тока, напряжения) называются электромагнитными колебаниями. ЭМ колебания: энергия заряженного конденсатора постепенно превращается в энергию магнитного поля катушки, и наоборот. - формула Томсона, формула периода электромагнитных колебаний в колебательном контуре. - длина электромагнитной волны и период колебаний. - частота электромагнитных колебаний. . Если контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, не параллельных друг другу, то чем под большим углом развернуты эти пластины. тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство .Предельным случаем раскрытия к0олебательного контура является удаление пластин конденсатора на противоположные концы прямой катушки. Такая система называется открытым колебательным контуром . Изображение пластин конденсатора на концах катушки открытого колебательного контура является лишь условностью. В действительности контур состоит из катушки и длинного провода — антенны. Один конец антенны заземлен, второй поднят над. поверхностью земли 8.Основные положения теории электромагнитного поля Максвелла. Возникновение (образование) электромагнитной волны. Основные положения теории Максвелла 1.Переменное магнитное поле порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле. 2. Переменное электрическое поле порождает в окружающем пространстве магнитное поле. 3. Силовые линии магнитного поля всегда замкнуты. 4. Электрическое поле с незамкнутыми линиями порождается электрическими зарядами. Электромагнитное поле в каждой точке пространства характеризуется напряженностью Е и индукцией В. Возникновение электромагнитной волны можно представить так: в некоторой области пространства возникают колебания электрического заряда, например между контактами электрической цепи проскакивает искра. Это повлечет за собой колебания вектора напряженности Е, т. е. его модуль и направление станут периодически меняться. Согласно теории Максвелла, в этой же области будут происходить колебания вектора магнитной индукции Б. Эти колебания порождают электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве. Теория Максвелла показала, что электромагнитные волны — волны поперечные, их скорость распространения в вакууме примерно равна 300 000 км/с, эта волна несет энергию. 23 КВАНТОВАЯ ОПТИКА. ФИЗИКА МИКРОМИРА. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА. 1.Тепловое излучение. Его энергетические характеристики. Закон Кирхгофа, Стефана- Больцмана, Вина. Постулат Планка. Теплово е излуче ние — электромагнитное излучение с непрерывным спектром , испускаемое нагретыми телами за счёт их тепловой энергии Основные свойства теплового излучения Тепловое излучение происходит по всему спектру частот от нуля до бесконечности Интенсивность теплового излучения неравномерна по частотам и имеет явно выраженный максимум при определенной частоте C ростом температуры общая интенсивность теплового излучения возрастает C ростом температуры максимум излучения смещается в сторону больших частот (меньших длин волн) Тепловое излучение характерно для тел независимо от их агрегатного состояния Отличительным свойством теплового излучения является равновесный характер излучения. Это значит, что если мы поместим тело в термоизолированный сосуд, то количество поглощаемой энергии всегда будет равно количеству испускаемой энергии. Основные понятия и характеристики теплового излучения Энергетическая светимость тела - - физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот. ; Дж/с·м²=Вт/м² Спектральная плотность энергетической светимости — функция частоты и температуры характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн). Аналогичную функцию можно написать и через длину волны Можно доказать, что спектральная плотность энергетической светимости, выраженная через частоту и длину волны, связаны соотношением: Поглощающая способность тела — — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, поглощается телом в области частот вблизи где — поток энергии, поглощающейся телом. — поток энергии, падающий на тело в области вблизи Отражающая способность тела — — функция частоты и температуры, показывающая какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, отражается от него в области частот вблизи где — поток энергии, отражающейся от тела. — поток энергии, падающий на тело в области вблизи Абсолютно черное тело — это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение — для абсолютно черного тела 24 Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры — для серого тела Объемная плотность энергии излучения — — функция температуры, численно равная энергии электромагнитного излучения в единицу объема по всему спектру частот Спектральная плотность энергии — — функция частоты и температуры, связанная с объемной плотностью излучения формулой: Следует отметить, что спектральная плотность энергетической светимости для абсолютно черного тела связана со спектральной плотностью энергии следующим соотношением: — для абсолютно черного тела Закон Стефана — Больцмана — закон излучения абсолютно чёрного тела. Определяет зависимость мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры. Формулировка закона: Мощность излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры тела: где - степень черноты (для всех веществ , для абсолютно черного тела ). При помощи закона Планка для излучения, постоянную можно определить как где — постоянная Планка, — постоянная Больцмана, — скорость света. Численное значение Дж·с −1 ·м −2 · К −4 Закон излучения Кирхгофа-Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы. Закон смещения Вина даёт зависимость длины волны , на которой поток излучения энергии чёрного тела достигает своего максимума, от температуры чёрного тела где T — температура в кельвинах, а — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах. Следует отметить, что коэффициент b, называемый постоянной Вина, и имеющий значение , в данной формуле имеет при этом размерность [ м К]. Согласно постулату Планка: энтропия правильно сформированного кристалла индивидуального вещества при абсолютной температуре Т=О К равна нулю. Правильно сформированный (идеальный) кристалл—это бездефектный кристалл, в решетке которого атомы занимают узлы в строгом соответствии с геометрическими законами. 2.Фотоэлектрический эффект. Вольтамперная характеристика фототока. Опытные закономерности фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Фотоэффе кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения ). Законы фотоэффекта: Формулировка 1-го закона фотоэффекта: количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за единицу времени на данной частоте, прямо пропорционально световому потоку, освещающему металл. Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. 3-ий закон фотоэффекта: для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (или максимальная длина волны λ 0 ), при которой ещё возможен фотоэффект, и если , то фотоэффект уже не происходит. 25 ВАХ - зависимость силы фототока I от напряжения U между электродами ( анодом и катодом). — уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. 3.Фотоны. Корпускулярно-волновая природа света и частиц. Фото н — элементарная частица, квант электромагнитного излучения (в узком смысле — света). Это безмассовая частица, способная существовать только двигаясь со скоростью света. Электрический заряд фотона также равен нулю. Фотон может находиться только в двух спиновых состояниях с проекциейспина на направление движения (спиральностью) ±1. Этому свойству в классической электродинамике соответствует круговая правая и левая поляризация электромагнитной волны. Фотону как квантовой частице свойственен корпускулярно-волновой дуализм, он проявляет одновременно свойства частицы и волны. Корпускулярно-волновая двойственность света Такие явления, как интерференция и дифракция света, убедительно свидетельствуют о волновой природе света. В то же время закономерности равновесного теплового излучения, фотоэффекта и эффекта Комптона можно успешно истолковать с классической точки зрения только на основе представлений о свете, как о потоке дискретных фотонов. Однако волновой и корпускулярный способы описания света не противоречат, а взаимно дополняют друг друга, так как свет одновременно обладает и волновыми и корпускулярными свойствами. Волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях его интерференции, дифракции, поляризации, а корпускулярные — в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны света, тем меньше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить корпускулярные свойства света. Например, внешний фотоэффект происходит только при энергиях фотонов, больших или равных работе выхода электрона из вещества. Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень «тонкой» дифракционной решетке — кристаллической решетке твердого тела. Формула де Бройля устанавливает зависимость длины волны , связанной с движущейся частицей вещества, от импульса частицы: |