КР по физике. Контрольные вопросы и задания с ответами для допуска к компьютер. Тихомиров Ю. В. Сборникконтрольных вопросов и заданий с ответамидля виртуального физпрактикума
 Скачать 223.11 Kb.
|
|
ЗАДАНИЕ 1 Дайте определение вынужденным колебаниям. ОТВЕТ ВЫНУЖДЕННЫМИ КОЛЕБАНИЯМИ называются процессы, происходящие в контуре, содержащем конденсатор, катушку индуктивности (возможно, ре- зистор) и источник с переменной ЭДС, включенные последовательно и обра- зующие замкнутую электрическую цепь. ВОПРОС 2 Что такое колебательный контур? ОТВЕТ Контуром называется электрическая цепь, содержащая как минимум конден- сатор и катушку индуктивности, которые образуют замкнутую электрическую цепь. ВОПРОС 3 Когда в контуре возникают вынужденные гармонические колебания? ОТВЕТ ВЫНУЖДЕННЫЕ ГАРМОНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ наблюдаются в элек- трическом колебательном контуре, если по гармоническому закону меняется ЭДС источника. ВОПРОС 4 Что такое комплексная величина? ОТВЕТ КОМПЛЕКСНАЯ ВЕЛИЧИНА есть определенная совокупность двух алге- браических чисел, одно из которых называется действительной частью, а вто- рое, умноженное на мнимую единицу, - мнимой частью. ВОПРОС 5 Как записывается комплексное число? ОТВЕТ Комплексное число можно записать тремя способами алгебраическая форма: Z = A + i ⋅ B, экспоненциальная (показательная) форма: Z = Z ⋅ e i ϕ где Z – модуль, ϕ - фаза, и тригонометрическая форма Z = C 1 Sin( ϕ ) + i ⋅ C 2 Cos( ϕ ). ВОПРОС 6 Как графически изображается комплексная величина? ОТВЕТ Комплексное число Z изображается, как радиус-вектор на комплексной плос- кости: его длина равна Z ≡ | Z |, а угол между вектором и горизонтальной (действительной) осью равен ϕ ВОПРОС 7 Что такое комплексная амплитуда тока или напряжения? ОТВЕТ Комплексная амплитуда тока или напряжения определяется, как комплексная величина тока или напряжения, взятая в начальный момент времени. ЗАДАНИЕ 8 Дайте определение импеданса. ОТВЕТ Импедансомназывается отношение комплексной амплитуды напряжения на данном элементе, к комплексной амплитуде тока через данный элемент. ВОПРОС 9 Что такое полное электрическое сопротивление? ОТВЕТ Полным электрическим сопротивлением называется модуль импеданса данно- го элемента или цепи. ВОПРОС 10 Что такое реактивное сопротивление катушки или конденсатора? ОТВЕТ Реактивным сопротивлением катушки или конденсатора (индуктивным или емкостным) называется модуль комплексного сопротивления (катушки или конденсатора). ВОПРОС 11 Чему равен импеданс резистора? ОТВЕТ Формула для сопротивления резистора: U I = R. Формула для импеданса резистора U 0 I 0 = R, т.к. фазы напряжения и тока оди- наковые. Следовательно, импеданс резистора равен R: Z R ≡ X R = R . ВОПРОС 12 Чему равен импеданс идеальной катушки индуктивности? ОТВЕТ Отношение комплексных амплитуд напряжения на катушке и тока через нее равно U L I = i ω L, следовательно импеданс катушки индуктивности: X L = i ω L . Напряжение на катушке по фазе опережает ток через нее на π /2. ВОПРОС 13 Как формулируется закон электромагнитной индукции для катушки? ОТВЕТ Закон электромагнитной индукции (самоиндукции) для катушки: ε С.И. = - L dI dt (I). ВОПРОС 14 Чему равен импеданс конденсатора? ОТВЕТ Импеданс (комплексное сопротивление) конденсатора: X C = - C i ω Напряжение на конденсаторе по фазе отстает от тока через него на π /2. ВОПРОС 15 Чему равны реактивные сопротивления катушки и конденсатора? ОТВЕТ Реактивное сопротивление катушки X L = ω⋅ L. Реактивное сопротивления конденсатора равно X C = 1 / ω C. ВОПРОС 16 Чему равно реактивное сопротивление последовательно соединенных катуш- ки и конденсатора? ОТВЕТ Реактивное сопротивление последовательно соединенных катушки и конден- сатора находится по формуле: X LC = ω L – (1 / ω C). ВОПРОС 17 Чему равен импеданс колебательного контура? ОТВЕТ Все элементы в контуре соединены последовательно, поэтому для нахождения импеданса контура надо использовать формулу: Z K = R + i ⋅ ω L - i/( ω C) . ВОПРОС 18 Чему равен квадрат полного сопротивления колебательного контура? ОТВЕТ Формула квадрата полного сопротивления контура: Z K 2 = ( ω L) 2 + ( C 1 ω ) 2 ЗАДАНИЕ 19 Дайте определение резонанса для тока в колебательном контуре. ОТВЕТ РЕЗОНАНСОМ для тока называется явление резкого увеличения амплитуды колебаний тока при приближении частоты ЭДС к некоторому значению, назы- ваемому резонансной частотой ω РЕЗ ВОПРОС 20 На какой частоте наблюдается резонанс для тока в колебательном контуре? ОТВЕТ Резонанс, т.е. максимум амплитуды тока в контуре будет тогда, когда полное сопротивление контура минимально, или Z РЕЗ = min = R, а ω 0 L = 1 ω 0 C , от- сюда частоте свободных колебаний в контуре ω 0 = 1 LC ВОПРОС 21 На какой частоте наблюдается резонанс для напряжения на конденсаторе в ко- лебательном контуре? ОТВЕТ Квадрат частоты ЭДС, при которой наблюдается максимум напряжения на конденсаторе (резонанс напряжения), определяется формулой: ω U . РЕЗ 2 = LC 1 - 2 2 L 2 R = 2 0 ω - 2 ⋅δ 2 ВОПРОС 22 Чему равно отношение амплитуд напряжения на конденсаторе при резонансе и ЭДС? ОТВЕТ Амплитуда резонансного напряжения на конденсаторе U 0C пропорциональна амплитуде ЭДС и добротности Q контура: U 0C = Q ⋅ ε 0 ВОПРОС 23 Чему равно характеристическое сопротивление контура? Как оно влияет на добротность? ОТВЕТ Формула характеристического сопротивления контура: ρ = L C Чем больше добротность, тем «острее» резонанс. ВОПРОС 24 Чему равен коэффициент затухания в контуре, имеющем конденсатор с емко- стью С, катушку с индуктивностью L и резистор с сопротивлением R? ОТВЕТ Формула коэффициента затухания для данного контура: δ = R / (2L) . ЗАДАНИЕ 25 Запишите формулу для добротности контура. ОТВЕТ Добротность контура при не слишком большом затухании определяется соот- ношением: Q = ρ / L . ВОПРОС 26 Что такое резонансная кривая контура? ОТВЕТ Резонансной кривой называется зависимость амплитуды напряжения на кон- денсаторе от частоты источника ЭДС. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2_8. ДИФРАКЦИЯ И ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ Вопросы и задания для самоконтроля ВОПРОС 1 Что такое волна? ОТВЕТ Волной называется возмущение физической характеристики, имеющее произ- вольную форму и распространяющееся в пространстве при сохранении формы этого возмущения. ВОПРОС 2 Что такое гармоническая волна? ОТВЕТ Гармонической называется волна, у которой возмущение физической характе- ристики зависит от координат и времени по закону синуса или косинуса. ВОПРОС 3 Что такое длина волны? ОТВЕТ Длиной волны называется пространственный период волны, т.е. минимальное расстояние, через которое возмущение полностью повторяется. ЗАДАНИЕ 4 Напишите математическое условие того, что функция f(x,t) описывает волну. ОТВЕТ Условие, при котором функция f(x,t) описывает волну, выглядит так: f (x,t) = f (x ± v ⋅ t), где v есть константа, численно равная скорости распростра- нения волны вдоль оси х. ВОПРОС 5 Что определяет форму волны и направление ее распространения? ОТВЕТ Форму волны и направление ее распространения определяет источник, кото- рый возбуждает волну. ВОПРОС 6 Что определяет скорость распространения волны? ОТВЕТ Скорость распространения волны определяют свойства среды, в которой она распространяется. Для электромагнитной волны это есть показатель прелом- ления среды: v = c / n ЗАДАНИЕ 7 Напишите математическую функцию, определяющую гармоническую волну, распространяющуюся в положительном направлении оси ОХ. ОТВЕТ Функция, определяющую гармоническую волну, имеющую длину волны λ и период T , распространяющуюся в положительном направлении оси ОХ: A(x,t) = A m Cos( 2π T ⋅ t - 2π λ ⋅ x). ВОПРОС 8 Что такое когерентность? ОТВЕТ КОГЕРЕНТНОСТЬЮ называется согласованное протекание нескольких коле- бательных или волновых процессов. ЗАДАНИЕ 9 Дайте определение когерентных волн. ОТВЕТ КОГЕРЕНТНЫМИ называются волны, для которых разность фаз возбуждае- мых ими колебаний остается постоянной во времени. Когерентными являются гармонические волны с кратными частотами. ЗАДАНИЕ 10 Дайте определение явления интерференции. ОТВЕТ ИНТЕРФЕРЕНЦИЕЙ называется устойчивое перераспределение в про- странстве интенсивности результирующей волны, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых конечным количеством дискретных коге- рентных источников волн. ЗАДАНИЕ 11 Дайте определение явления дифракции. ОТВЕТ ДИФРАКЦИЕЙ называется устойчивое перераспределение в пространстве ин- тенсивности результирующей волны, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых расположенными непрерывно когерентными источника- ми волн. Одним из проявлений дифракции является распространение волны в область геометрической тени, т.е. туда, куда не попадают световые лучи. ВОПРОС 12 Что такое волновая поверхность? ОТВЕТ Волновой поверхностью называется геометрическое место точек, в каждой из которых в данный момент времени фаза изменения физического параметра одна и та же. ЗАДАНИЕ 13 Сформулируйте принцип Гюйгенса. ОТВЕТ ПРИНЦИП ГЮЙГЕНСА: каждый элемент волновой поверхности является ис- точником вторичной сферической волны, а волна в любой точке перед этой поверхностью (с другой стороны от поверхности, нежели реальный источник волны) может быть найдена как результат суперпозиции волн, излучаемых указанными вторичными источниками. ЗАДАНИЕ 14 Дайте определение зон Френеля. ОТВЕТ ЗОНАМИ ФРЕНЕЛЯ называются такие участки на поверхности волнового фронта, для которых излучение от двух соседних участков при сложении дает практически нулевой (минимальный) результат. Расстояния от краев каждой зоны до точки наблюдения отличаются на λ /2. ЗАДАНИЕ 15 Напишите формулу для напряженности электрического поля dE электромаг- нитной волны (ЭМВ), излучаемой элементарным участком площадью dS вол- новой поверхности, в точке наблюдения, расположенной на расстоянии r от этого участка. ОТВЕТ Величина напряженности электрического поля dE электромагнитной волны (ЭМВ), излучаемой элементарным участком площадью dS волновой поверхно- сти, в точке наблюдения, расположенной на расстоянии r от этого участка, равна dE = Ka 0 r dS Cos( ω⋅ t - k ⋅ x) . ВОПРОС 16 Что такое разность хода двух волн, излучаемых двумя точечными источника- ми. ОТВЕТ Разностью хода двух волн, излучаемых двумя точечными источниками, назы- вается разность расстояний, проходимых до данной точки волнами, излучае- мыми каждым источником. ВОПРОС 17 При какой разности хода двух гармонических волн при их сложении наблюда- ется максимум? ОТВЕТ Для двух точечных источников гармонических волн максимум при интерфе- ренции на экране наблюдается при условии, что разность хода ∆ r волн, прихо- дящих в данную точку экрана, кратна длине волны: ∆ r = m ⋅λ , где m = 0, 1, 2, ... . ВОПРОС 18 При какой разности хода двух гармонических волн при их сложении наблюда- ется минимум? ОТВЕТ Для двух точечных источников гармонических волн минимум при интерфе- ренции на экране наблюдается при условии, что разность хода ∆ r волн, прихо- дящих в данную точку экрана, равна нечетному числу полуволн: ∆ r = (2m + 1) λ 2 , где m = 0, 1, 2, ... . ЗАДАНИЕ 19 Запишите формулу интерференционного максимума для волн, излучаемых под углом ϕ двумя точечными источниками, расположенными на расстоянии d друг от друга (если m – целое число). ОТВЕТ Формула для интерференционного максимума для волн, излучаемых под уг- лом ϕ двумя точечными источникам, расположенными на расстоянии d друг от друга (если m – целое число): d ⋅ sin( ϕ ) = m ⋅λ ЗАДАНИЕ 20 Выведите и запишите формулу для координаты Х первого интерференционно- го максимума для волн, излучаемых двумя точечными источникам, располо- женными на расстоянии d друг от друга (если m – целое число) при большом расстоянии до экрана L>>d . ОТВЕТ Формула для координаты Х первого интерференционного максимума для волн, излучаемых двумя точечными источниками, расположенными на рассто- янии d друг от друга (если m – целое число) при большом расстоянии до экрана L>>d: X MAX = λ⋅ L ⋅ d 1 Лабораторная работа 2_9. ДИФРАКЦИОННАЯ РЕШЕТКА Вопросы и задания для самоконтроля ВОПРОС 1 Что такое световая волна? ОТВЕТ Световой волной называется электромагнитное излучение, видимое человече- ским глазом и имеющее длину волны от 0.3 до 0.7 мкм. ВОПРОС 2 Что такое гармоническая электромагнитная волна? ОТВЕТ Гармонической ЭМВ называется возмущение некоторой характеристики элек- тромагнитного поля, которое зависит от координат и времени по закону сину- са или косинуса. ВОПРОС 3 Что такое электромагнитная волна. ОТВЕТ Электромагнитной волной называется возмущение электромагнитного поля, имеющее произвольную форму и распространяющееся в пространстве при сохранении формы этого возмущения. ЗАДАНИЕ 4 Напишите формулу зависимости напряженности электрического поля от вре- мени и координаты для гармонической ЭМВ, имеющей волновое число k, цик- лическую частоту ω и распространяющейся вдоль оси ОХ. ОТВЕТ Для ЭМВ, имеющей волновое число k, циклическую частоту ω и распростра- няющейся в положительном направлении оси ОХ, напряженность электриче- ского поля такова: E (x,t) = E MAX ⋅ Cos ( ω⋅ t - k ⋅ x) . ВОПРОС 5 Какие ЭМВ называются когерентными? ОТВЕТ КОГЕРЕНТНЫМИ называются ЭМВ, для которых разность фаз полей, поро- ждаемых ими в каждой точке, остается постоянной во времени. ВОПРОС 6 Какие ЭМВ будут когерентными? ОТВЕТ Когерентными будут гармонические ЭМВ с одинаковыми частотами. ВОПРОС 7 Что такое дифракции ЭМВ. ОТВЕТ ДИФРАКЦИЕЙ ЭМВ называется явление возникновения в пространстве устойчивого перераспределения интенсивности результирующей ЭМВ при на- личии нескольких источников ЭМВ или неоднородностей среды. ВОПРОС 8 Когда возникает дифракция ЭМВ? ОТВЕТ Дифракция возникает в результате сложения (суперпозиции) ЭМВ, излучае- мых когерентными источниками ЭМВ, расположенными непрерывно. ВОПРОС 9 Что такое дифракционная решетка? ОТВЕТ ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКОЙ называется совокупность большого числа N одинаковых, отстоящих друг от друга на одно и то же расстояние, прямо- угольных щелей в плоском непрозрачном экране. ВОПРОС 10 Для каких целей используется дифракционная решетка? ОТВЕТ Дифракционные решетки используются в первую очередь для спектрального анализа электромагнитного излучения, т.е. определения интенсивности отдельных гармонических волн, из которых состоит анализируемое ЭМИ. ВОПРОС 11 Что такое постоянная дифракционной решетки? ОТВЕТ Постоянной (периодом) дифракционной решетки называется расстояние d между серединами соседних щелей или сумма ширины щели b и ширины не- прозрачного участка a. ВОПРОС 12 Зачем между дифракционной решеткой и экраном ставится собирающая лин- за? ОТВЕТ Линза собирает параллельные лучи, которые идут от разных щелей дифракци- онной решетки, в одну точку на экране. ЗАДАНИЕ 13 Напишите формулу разности хода лучей, идущих от двух соседних щелей ди- фракционной решетки под углом ϑ ОТВЕТ РАЗНОСТЬ ХОДА лучей, идущих под углом ϑ от двух соседних щелей шири- ной b (период решетки d): ∆ = d ⋅ sin( ϑ ). ЗАДАНИЕ 14 Напишите формулу разности фаз лучей от соседних щелей. ОТВЕТ РАЗНОСТЬ ФАЗ лучей, идущих под углом ϑ от двух соседних щелей шири- ной b (период решетки d): δ = 2 π Δ λ = λ π 2 d ⋅ Sin( ϑ ) . ВОПРОС 15 Как формируются главные максимумы дифракционной картины? ОТВЕТ Главные максимумы формируются лучами, которые для соседних щелей ре- шетки имеют разность хода, равную длине волны и излучаются в направлении главных максимумов. ВОПРОС 16 Как распространяется после решетки одна плоская гармоническая волна, пада- ющая перпендикулярно плоскости решетки. ОТВЕТ Плоская гармоническая волна, падающая перпендикулярно плоскости решет- ки после решетки распространяется в виде нескольких плоских волн, идущих в направлении главных максимумов, т.е. как лучи, идущие под углами, равны- ми углам главных максимумов. ВОПРОС 17 Как будут распространяться после решетки две плоские гармонические волны с близкими длинами волн, падающие перпендикулярно плоскости решетки. ОТВЕТ Две плоские гармонические волны с близкими длинами волн, падающие пер- пендикулярно плоскости решетки, будут распространяться в направлении своих главных максимумов, причем разность углов для главных максимумов разных волн будет мала. ВОПРОС 18 Как дифракционная решетка для радиолокационной волны будет отличаться от обычной дифракционной решетки для видимого света? ОТВЕТ Дифракционная решетка для радиолокационной волны будет иметь щели, ко- торые хорошо наблюдаются глазом, т.к. их размер сопоставим с длиной ЭМВ радиолокатора, составляющей 1 – 10 см. |