Курсовая довузовская подготовка учащихся по физике.

Пособие

для довузовской курсовой подготовки

учащихся по физике.

Пояснительная записка.

Курсовая подготовка рассчитана на обобщение знаний,

полученных учащимися по физике в средней общеобразовательной

школе. Место отдельных занятий курсовой подготовки может легко

варьироваться в зависимости от используемых программ и учебников школьного курса физики. Содержание занятий включает теоретический материал (основные понятия, величины, формулировки, формулы, справочные таблицы) и практическую часть (примеры решения задач, тексты задач для самостоятельной работы учащихся и ответы к ним).

Тематическое планирование.

I. Механика.

II. Молекулярная физика.

III. Основы электродинамики.

IV. Колебания и волны.

V. Оптика.

VI. Элементы теории относительности.

VII. Квантовая физика.

-3Курсовая довузовская подготовка учащихся по физике.

Программа.

I. МЕХАНИКА.

КИНЕМАТИКА.

Механическое движение. Система отсчета. Относительность движения. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение.

Равномерное прямолинейное движение (РПД). Мгновенная скорость. Средняя скорость. Ускорение. Равноускоренное прямолинейное движение (РУПД). Сложение скоростей и перемещений. Графики зависимости кинематических величин от времени при равномерном и равноускоренном движениях.

Уравнения РПД и РУПД. Свободное падение тел. Ускорение свободного падения. Равномерное движение по окружности.

Ускорение при равномерном движении тела по окружности с постоянной по модулю скоростью (центростремительное ускорение).

ОСНОВЫ ДИНАМИКИ.

Первый закон Ньютона. Инерциальная система отсчета. Принцип относительности Галилея. Масса. Сила. Второй закон Ньютона.

Сложение сил. Момент силы. Условия равновесия рычага. Центр тяжести. Третий закон Ньютона. Силы упругости. Закон Гука.

Движение под действием силы упругости. Силы трения.

Коэффициент трения скольжения. Движение под действием силы трения. Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела. Движение тела под действием силы тяжести.

Перегрузки и невесомость. Движение искусственных спутников.

Движение тел под действием нескольких сил.

-4Курсовая довузовская подготовка учащихся по физике.

ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В МЕХАНИКЕ.

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Применение закона сохранения импульса. Реактивное движение. Механическая работа. Мощность. Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии в механике.

МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ.

Давление. Закон Паскаля для жидкостей и газов. Сообщающиеся сосуды. Принцип устройства гидравлического пресса.

Атмосферное давление. Изменение атмосферного давления с высотой. Архимедова сила для жидкостей и газов. Условия плавания тел. Зависимость давления жидкости от скорости ее течения.

II. МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА.

МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ.

Опытное обоснование основных положений молекулярнокинетической теории. Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро. Броуновское движение. Идеальный газ. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа.

Температура и ее измерение. Абсолютная температурная шкала.

Скорость молекул газа. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева—Клапейрона). Универсальная газовая постоянная. Изотермический, изохорный и изобарный процессы.

ТЕРМОДИНАМИКА.

Внутренняя энергия. Количество теплоты. Удельная теплоемкость вещества. Работа в термодинамике. Закон сохранения энергии в -5Курсовая довузовская подготовка учащихся по физике.

тепловых процесс (первый закон термодинамики). Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. Адиабатный процесс. Необратимость тепловых процессов. Принцип действия тепловых двигателей КДД теплового двигателя и его максимальное значение. Тепловые двигатели и охрана природы.

НАСЫЩЕННЫЕ ПАРЫ.

Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары.

Зависимость температуры кипения жидкости от давления Влажность воздуха.

КРАЕВЫЕ ЭФФЕКТЫ В ЖИДКОСТЯХ.

Поверхностное натяжение жидкостей. Сила поверхностного натяжения. Смачивание. Капиллярные явления.

ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА.

Кристаллические и аморфные тела. Механические свойства твердых тел. Упругие деформации.

III. ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ.

ЭЛЕКТРОСТАТИКА.

Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда. Электрическое поле. Напряженность электрического поля. Электрическое поле точечного заряда.

Принцип суперпозиции полей. Проводники в электрическом поле.

Диэлектрики в электрическом поле. Диэлектрическая проницаемость среды. Работа электростатического поля при перемещении заряда Разность потенциалов. Электроемкость.

Конденсаторы. Энергия электрического поля.

ЗАКОНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА.

Электрический ток. Сила тока. Закон Ома для участка цепи.

Сопротивление проводников. Последовательное и параллельное соединение проводников. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. Работа и мощность тока. Электронная проводимость металлов. Сверхпроводимость. Электрический ток в растворах расплавах электролитов. Закон электролиза. Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Понятие о плазме. Ток в вакууме. Электронная эмиссия. Диод. Электроннолучевая трубка. Полупроводники. Электропроводность полупроводников и примесная проводимость полупроводников. Полупроводниковый диод. Транзистор.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ.

Магнитное взаимодействие токов. Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле. Закон Ампера. Действие магнитного поля на движущийся заряд. Сила Лоренца. Магнитные свойства вещества.

Магнитная проницаемость. Ферромагнетизм. Электромагнитная индукция. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции.

Правило Ленца. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля.

IV. КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ.

МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ.

Гармонические колебания. Амплитуда, период и частота колебаний. Маятники. Превращение энергии при гармонических колебаниях. Вынужденные колебания. Резонанс. Распространение колебаний в упругих средах. Поперечные и продольные волны.

распространения. Звуковые волны. Скорость звука. Громкость звука и высота тона.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ.

Свободные электромагнитные колебания в контуре. Превращение энергии в колебательном контуре. Собственная частота колебаний Переменный электрический, ток. Генератор переменного тока.

Электромагнитные волны. Скорость их распространения.

электромагнитных волн. Принципы радиосвязи.

V. ОПТИКА.

Прямолинейное распространение света. Скорость света. Законы отражения и преломления света. Линза. Фокусное расстояние линзы. Построение изображений в плоском зеркале и линзах.

Интерференция света и ее применение в. технике. Дифракция света. Дифракционная решетка. Дисперсия света. Поляризация света. Шкала электромагнитных волн.

VI. ЭЛЕМЕНТЫ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ.

Принцип относительности Эйнштейна. Скорость света в вакууме как предельная скорость передачи сигнала. Следствия теории относительности. Релятивистская динамика. Связь между массой и энергией.

VII. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА.

СВЕТОВЫЕ КВАНТЫ.

Фотоэффект и его законы. Кванты света. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Постоянная Планка. Применение фотоэффекта в технике.

АТОМ И АТОМНОЕ ЯДРО.

Опыт Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Ядерная модель атома. Квантовые постулаты Бора. Испускание и поглощение света атомом. Непрерывные и линейчатые спектры. Спектральный анализ. Лазер. Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи атомных ядер. Ядерные реакции. Радиоактивность. Альфа- и бетачастицы, гамма-излучение. Методы регистрации ионизирующих излучений. Деление ядер урана. Ядерный реактор. Термоядерная реакция. Биологическое действие радиоактивных излучений.

Контрольные работы.

Теория.

I. Механика.

Механическим движением называется изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени.

Совокупность тела отсчета, системы координат и прибора для измерения времени называется системой отсчета.

Материальной точкой называется тело, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстоянием, на котором оценивается действие этого тела на другие, в данном конкретном случае.

Траектория – линия, по которой движется тело («след»

движения).

Путь – длина траектории.

Перемещение – направленный отрезок (вектор), соединяющий начальную и конечную точки траектории.

Прямолинейным называется движение, траектория которого прямая линия.

При прямолинейном движении модуль перемещения равен величине пройденного пути.

Равномерным называется движение, при котором за одинаковые промежутки времени тело проходит одинаковый путь.

Скоростью равномерного движения называется отношение пути ко времени, за которое этот путь был пройден.

v - скорость [v ]=м/с; s - перемещение [ s ]=м; t - время [t ]=с.

Средней путевой скоростью называется отношение всего пути к полному времени движения.

В случае движения по окружности вычисление пути связано с нахождением длины окружности: s = 2R.

R – радиус окружности [R] = м; = 3,14 – постоянная.

одинаковую величину.

Отношение изменения скорости ко времени, за которое оно произошло, называется ускорением:

a - ускорение, [ a ] = м/с2; v - конечная скорость, v0 - начальная скорость, [v ] = м/с; t - время, [t ] = с.

вычислено по формулам:

s – перемещение, [s] = м.

Для описания прямолинейного движения достаточно использовать систему координат с одной единственной осью (при движении в горизонтальном направлении ось обычно обозначают Х). Для решения основной задачи механики, т.е. определения положения алгебраическими методами, записывая уравнения движения.

Уравнение РПД выглядит следующим образом:

x координата тела в момент времени t, отсчитываемая относительно некоторого тела, выбранного в качестве тела отсчета, x0 начальная координата (координата тела в начальный момент времени) vx проекция вектора скорости на ось Х (если вектор положительной; если вектор скорости направлен в сторону, противоположную оси, то проекция считается отрицательной).

Уравнение РУПД записывается так:

ax проекция вектора ускорения на ось Х (при разгоне – положительна, при торможении – отрицательна).

Решать основную задачу механики можно и графически. Графики времени при РПД и координаты тела от времени при РПД и графики зависимости проекции ускорения от времени при РУПД и проекции скорости от времени при РУПД представлены на рисунке. Зная уравнение движения можно построить соответствующие графики, и, наоборот, по графику можно вывести уравнение движения.

Вследствие притяжения к Земле движения в вертикальном направлении являются ускоренными. Ускорение, придаваемое свободного падения. Имеет специальное обозначение g. Величина ускорения свободного падения незначительно отличается для разных точек Земли и принимается равной g = 9,81 м/с2. Вектор ускорения свободного падения направлен перпендикулярно поверхности Земли и внутрь ее, а если принимать форму Земли шарообразной, точно к центру Земли. Для решения задач на движение в вертикальном направлении в формулах, приведенных в этом разделе, вместо a применяют g.

При движении по окружности, в любой ее точке вектор скорости направление скорости изменяется, и даже если движение по окружности происходит с постоянной по модулю скоростью, оно является ускоренным. Ускорение, возникающее только из-за изменения направления скорости, направлено к центру окружности и называется центростремительным.

Величина центростремительного ускорения вычисляется по формуле:

aц - центростремительное ускорение [ aц ] = м/с2; v - модуль скорости [ v ] = м/с; r – радиус окружности [r] = м.

Движение по окружности характеризуется периодом и частотой.

Период вращения – время одного полного оборота (Т). Частота – количество полных оборотов за единицу времени (n). Период измеряется в секундах [T] = с. Частота измеряется в Герцах [n] = c- = Гц. Период и частота связаны между собой формулой:

Для вычисления постоянной по модулю скорости при вращении через период или частоту пользуются формулами:

Угловой скоростью называется отношение изменение угла ко времени, за которое это изменение произошло.

- модуль угловой скорости [ ] = рад/с; 0 - начальный угол конечный угол [ ] = рад; t – время [t] = с.

Угловая скорость связана с линейной скоростью:

В связи со свободой выбора наблюдателем тела отсчета любое движение относительно, т.е. в системах отсчета, связанных с разными телами отсчета, одно и то же движение может описываться по-разному. При переходе из одной системы отсчета в другую пользуются определенными правилами пересчета таких величин, как, например: перемещение, скорость, ускорение. Пусть некая подвижная система отсчета имеет скорость некоторой неподвижной системы, и рассматривается тело, которое в подвижной системе отсчета имеет скорость системе отчета тоже самое тело имеет скорость справедлив закон сложения скоростей:

сложения перемещений:

относительно неподвижной системы отсчета, тела относительно подвижной системы отсчета, подвижной системы отсчета относительно неподвижной системы отсчета.

Законы Ньютона:

инерциальными, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свое состояние покоя или прямолинейного равномерного движения до тех пор, пока на это тело не действуют другие тела (или их действие скомпенсировано).

Второй: Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела и ускорения, сообщаемого телу этой силой.

m - масса тела, [ m ] = кг; a - ускорение тела, [ a ] = м/с2 ; F равнодействующая сил, действующих на тело, [ F ] = Н.

Равнодействующая сил – векторная сумма всех сил, действующих на тело:

осуществляется по правилам сложения векторов (правило треугольника, правило параллелограмма).

Третий: Силы взаимодействия двух тел равны по величине и направлены в противоположные стороны вдоль прямой, соединяющей тела: F1,2 F2,1.

Принцип относительности Галилея: Механические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчета.

Закон Всемирного тяготения: Два тела притягиваются друг к другу с силами прямопропорциональными произведению масс тел и обратнопропорциональными квадрату расстояния между телами.

r – расстояние между телами, [r] = м; G = 6,672·10-11 Н·м2/кг2 – гравитационная постоянная.

Сила тяжести: Силой тяжести, действующей на тело, называется сила гравитационного притяжения этого тела к Земле. Для нахождения силы тяжести пользуются формулой: F mg. Считая Землю шарообразной, можно вычислить ускорение свободного падения на ее поверхности:

где MЗ - масса Земли, R – радиус Земли. Величина ускорения свободного падения уменьшается с ростом высоты h над поверхностью Земли:

Закон Гука: Сила упругости, действующая на тело, по величине прямопропорциональна удлинению образца и направлена в сторону, противоположную силе, деформирующей образец.

k – коэффициент жесткости тела (часто называют просто жесткость) [k] = Н/м, x – удлинение тела (изменение линейных размеров тела) [x] = м, Fупр.- сила упругости [Fупр] = Н.

Вес тела: Весом тела (Р) называют силу, действующую на опору (или подвес) со стороны тела. Вес численно равен силе упругости, находящегося в покое или состоянии равномерного движения, вес вблизи поверхности Земли равен силе тяжести. При ускоренном движении в вертикальном к поверхности Земли направлении вес изменяется. Явление, при котором сила тяжести превышает вес, невесомость. Явление, при котором вес превышает силу тяжести, перегрузка.

Движение ИСЗ: Искусственный спутник Земли движется по орбите под действием только лишь силы тяжести, таким образом центростремительное ускорение должно совпадать с ускорением свободного падения:

откуда можно вычислить первую космическую скорость:

Для преодоления поля тяготения Земли необходимо развить вторую космическую скорость:

Сила трения: Сила, возникающая при соприкосновении тел, направленная вдоль поверхностей соприкасающихся поверхностей, против силы, перемещающей (или старающейся переместить) одно тело по поверхности другого, называется силой трения. Выделяют трение покоя, трение скольжения и трение качения. Для трения скольжения справедлива формула:

Fтр. – сила трения, Fp. – сила реакции, действующая со стороны второго тела на первое (в случае равномерного движения численно равна весу первого тела Fp.=P), – коэффициент трения (безразмерная величина, зависящая от состояния поверхностей, определяется экспериментально).

Статика.

Прямая, проходящая через точку приложения силы и совпадающая с направлением силы, называется линией действия силы.

Центром тяжести тела называется точка, через которую проходят линии действия сил, перемещающих тело поступательно.

Плечом силы (L) называется кратчайшее расстояние от оси вращения тела до линии действия силы.

Моментом силы (М) называется произведение модуля силы на ее плечо. Момент силы измеряется в Ньютон-метрах [М]=Н·м.

Момент силы считается положительным, если он старается повернуть тело по часовой стрелке. Момент силы считается отрицательным, если он старается повернуть тело против часовой стрелки.

Условия механического равновесия тела:

Первое: Равнодействующая сил равна нулю.

Второе: Сумма моментов всех сил, действующих на тело, равна нулю.

«ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ В МЕХАНИКЕ»

Импульс тела ( p ) – физическая векторная величина, равная произведению массы тела на его скорость. Вектор импульса тела сонаправлен с вектором скорости тела.

Импульс тела измеряется в килограмм-метрах в секунду [p] = кг·м/с.

Импульс силы ( k )– физическая векторная величина, равная произведению силы на время ее действия. Вектор импульса силы сонаправлен с вектором силы.

Импульс силы измеряется в Ньютон-секундах [k] = Н·с.

Второй закон Ньютона в импульсной форме:

Изменение импульса тела равно импульсу силы.

p0 – импульс тела в начальный момент времени, p – импульс тела в конечный момент времени.

Тела взаимодействующие только друг с другом и ни с какими более образуют замкнутую систему.

Закон сохранения импульса:

При любых движениях и взаимодействиях внутри замкнутой системы геометрическая сумма импульсов тел, составляющих эту систему, не изменяется.

Механическая работа (А) – скалярная физическая величина равная произведению силы на перемещение и на косинус угла () между направлениями силы и перемещения. Измеряется в Джоулях, [А] = Дж.

Мощностью называется работа, совершенная в единицу времени.

Единица измерения мощности в СИ – Ватт, [N] = Вт.

Устройства, совершающие работу, называются механизмами.

Любой механизм состоит из комбинации простых механизмов.

Простые механизмы делятся на рычаги (рычаг, блок, ворот) и наклонные плоскости (наклонная плоскость, клин, винт).

Золотое правило механики: Ни один простой механизм не дает выигрыша в работе. Если механизм дает выигрыш в силе, он обязательно проигрывает расстоянии и наоборот. Таким образом полезная работа всегда меньше затраченной. Отношение работы полезной к работе затраченной называется коэффициентом полезного действия (КПД) и обычно выражается в процентах.

Часть затраченной работы расходуется на преодоление различных сил сопротивления.

Функция состояния системы, характеризующая способность системы совершать работу, называется энергией. Энергия измеряется в джоулях.

Движущиеся тела обладают кинетической энергией:

Ek – кинетическая энергия тела, m – масса тела, v – скорость тела.

Теорема о кинетической энергии: Работа внешних сил равна изменению кинетической энергии.

Взаимодействующие тела обладают потенциальной энергией.

Потенциальная энергия тела, поднятого над нулевым уровнем, равна:

Ep – потенциальная энергия тела, поднятого над нулевым уровнем, m – масса тела, h – высота тела над нулевым уровнем (часто в качестве нулевого уровня выбирают поверхность Земли).

Потенциальная энергия упругодеформированного тела равна:

Ep – потенциальная энергия упругодеформированного тела, k – коэффициент жесткости тела [k] = Н/м, x – удлинение тела [x] = м.

Теорема о потенциальной энергии: Работа внутренних сил равна убыли потенциальной энергии.

Сумма кинетической и потенциальной энергии тела называется полной механической энергией тела (Е).

Энергия может превращаться из одного вида в другой (например:

из механической в тепловую). Энергия может переходить от одного тела к другому. Если превращения видов энергии не происходит, то для замкнутых систем справедлив закон сохранения полной механической энергии:

изменяется.

«МЕХАНИКА ЖИДКОСТЕЙ И ГАЗОВ»

Давлением (p) называется скалярная физическая величина равная отношению модуля силы к площади соприкосновения тел.

Единица давления в СИ называется Паскаль, [p] = Па. 1 Па = 1Н / 1м2.

Статика.

Закон Паскаля:

Давление в жидкостях и газах передается одинаково во всех направлениях.

Гидростатический парадокс: Давление жидкостей (газов) зависит от высоты столба жидкости (газа).

- плотность жидкости (газа) [ ]=кг/м3; h – высота столба жидкости (газа) [h] = м.

Воздушная оболочка Земли оказывает давление на поверхность Земли. Атмосферное давление периодически меняется.

Нормальным считается атмосферное давление 100 кПа.

Атмосферное давление принято измерять в миллиметрах ртутного столба. 1 мм.рт.ст. 133 Па. Вблизи поверхности Земли атмосферное давление уменьшается на 1 мм.рт. ст. при подъеме приблизительно на 12 м над поверхностью Земли.

Закон Архимеда:

На тело, погруженное в жидкость (газ) действует выталкивающая сила, равная весу жидкости (газа) в объеме, вытесненном телом.

FАрх. – выталкивающая сила (сила Архимеда), – плотность жидкости (газа), V – объем части тела, погруженной в жидкость (газ).

Условия плавания тел:

Если сила Архимеда больше силы тяжести, тело плавает на поверхности.

Если сила Архимеда равна силе тяжести, тело плавает внутри жидкости.

Если сила Архимеда меньше силы тяжести, тело тонет.

Динамика.

Несжимаемой называется жидкость заданной массы, имеющая в разных условиях одинаковый объем.

Идеальной называют жидкость, не подверженную внутреннему трению.

Закон неразрывности струи:

Закон Бернулли:

S площадь сечения трубки тока жидкости [S ] = м2; v скорость течения жидкости плотность жидкости [h] =м; таким образом: Идеальная несжимаемая жидкость проходит узкие сечения труб с большей скоростью и под меньшим давлением, и, наоборот, идеальная несжимаемая жидкость проходит широкие сечения труб с меньшей скоростью и под большим давлением

«МОЛЕКУЛЯРНО-КИНЕТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ».

Основные положения МКТ (молекулярно-кинетической теории):

Все тела состоят из молекул;

броуновское движение);

Молекулы взаимодействуют притяжение или отталкивание определяется их взаимным расположением и расстоянием друг от друга).

Все положения МКТ доказываются экспериментально.

Количество вещества:

– количество вещества [] = моль m – полная масса вещества [m]= кг – молярная масса (масса одного моля вещества) []= кг/моль N – число частиц вещества [N]= NA – число Авогадро (число частиц в одном моле любого вещества), NA = 6,02·1023 моль-1.

Идеальный газ:

- абстрактная (в природе не существует) физическая модель реального газа, в котором не учитывается взаимодействие молекул. Идеальный газ создает давление на стенки сосуда, в котором находится. На идеальные наиболее похожи разряженные реальные газы.

Основное уравнение МКТ идеального газа:

p – давление идеального газа [p] = Па V – объем газа [V] = м m0 – масса молекулы данного газа [m0] = кг n – концентрация (число частиц в единице объема) [n] = м-3.

v 2 - средний квадрат скорости движения молекул [ v 2 ] = м2/с2.

- средняя кинетическая энергия движения молекул [ Eкин. ]=Дж.

Eкин.

Тепловое равновесие:

- состояние термодинамической системы, при котором ее макропараметры (давление, объем, температура) сколь угодно долго не изменяются. Свободная от внешних воздействий система стремится к состоянию теплового равновесия.

Если два тела находятся в состоянии теплового равновесия, то считают, что их температура одинакова. Температура может быть измерена с помощью различных термодинамических шкал (Цельсий, Фаренгейт, Ранкин, Реомер), отличающихся выбранным рабочим телом (вода, спирт и т.д.). Универсальной (абсолютной) шкалой температур является шкала Кельвина, в которой за нуль принято состояние, при котором тепловое движение молекул любого вещества прекращается. Конечно «тепловая смерть» лишь теоретическое понятие, даже в глубинах космоса регистрируется тепловой фон в 4 К (Кельвин), еще называемый реликтовым излучением. Между шкалой абсолютных температур (T, [T] = К) и шкалой Цельсия (t, [t] = °С), используемой в России, существует простая алгебраическая зависимость: T = t + 273,16.

Температура – мера средней кинетической энергии:

k – постоянная Больцмана k = 1,38·10-23 Дж/К.

Средняя скорость теплового движения молекул:

скорости движения молекул.

Уравнение состояния идеального газа (Менделеева-Клапейрона):

макропараметрами термодинамической системы.

R = k·NA = 8,31 Дж/(моль·К) – универсальная газовая постоянная.

Закон Дальтона: давление смеси газов складывается из давлений газов, входящих в смесь.

Изопроцессом (от латинского изос – равный) называется переход термодинамической системы из одного состояния в другое при одном неизменном макропараметре.

неизменной температуре.

Признак изотермического процесса: T = const.

График изотермического процесса – изотерма.

Закон изотермического процесса (Бойля-Мариотта): p1·V1=p2·V Формулировка закона изотермического процесса: При данной массе газа произведение его давления на объем не изменяется.

Изобарический (изобарный) процесс - процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при неизменном давлении.

Признак изобарического процесса: p = const.

График изобарического процесса – изобара.

Закон изобарического процесса (Гей-Люссака): T1/V1=T2/V Формулировка закона изобарического процесса: При данной массе газа отношение его температуры к объему не изменяется.

Изохорический (изохорный) процесс - процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при неизменном объеме.

Признак изохорического процесса: V = const.

График изохорического процесса – изохора.

Закон изохорического процесса (Шарля): p1/T1=p2/T Формулировка закона изохорического процесса: При данной массе газа отношение его давления к температуре не изменяется.

Внутренняя энергия идеального газа пропорциональна его температуре.

U – внутренняя энергия [U] = Дж i – степень свободы молекул, для идеального одноатомного газа возможны 3 поступательные степени свободы (i=3), вращательные степени свободы (i=5), для трехатомных молекул характерны еще колебательные степени свободы (их количество зависит от типа связей атомов в молекуле).

количества вещества) изменение (разница конечного и начального значений величины) внутренней энергии пропорционально изменению температуры. Внутреннюю энергию системы можно изменить двумя способами: совершая работу или путем теплопередачи. По характеру переноса энергии теплопередача классифицируется на теплопроводность (перенос энергии без переноса вещества), конвекцию (перенос энергии потоками самого вещества) и излучение (перенос энергии с помощью волн).

Работа в термодинамике.

Будем различать работу термодинамической системы над внешними силами (Асист., [Асист.] = Дж) и работу внешних сил над термодинамической системой (Авнеш., [Авнеш.] = Дж). Данные величины равны по модулю и противоположны по знаку.

классифицируются по рабочим частотам (низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные).

На практике активно используют полупроводниковые приборы с зависимостью сопротивления от температуры (терморезисторы) и с зависимостью сопротивления от освещенности (фоторезисторы).

управляющие элементы.

Широчайшее применение имеют компактные многоэлектродные полупроводниковые устройства, содержащие большое число элементов (резисторов, конденсаторов и т.д.) в одном корпусе – интегральные схемы. По количеству элементов классифицируются на ИС (интегральные схемы – десятки элементов), БИС (большие интегральные схемы – сотни элементов), СБИС (сверхбольшие интегральные схемы – тысячи элементов). СБИС – основа электронных чипов и процессоров ЭВМ.

«МАГНИТНОЕ ПОЛЕ. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ.»

Магнитное поле.

Магнитное поле – особого рода материя, осуществляющая взаимодействие между движущимися зарядами (токами).

Свойства:

Порождается движущимися зарядами;

Обнаруживается по действию на движущийся заряд;

Оказывает ориентирующее действие на замкнутый контур с током;

Однонаправленные токи притягиваются, разнонаправленные токи отталкиваются.

Магнитное поле может окружать образцы некоторых веществ – постоянных магнитов (например: магнитный железняк).

Возникновение магнитного поля в этом случае объясняется усилением ввиду одинаковой направленности элементарных токов внутри атомов вещества (домены). Магнитное поле имеет две локальные области, где оно проявляется наиболее активно и мощно – полюса – северный и южный. Магнитным полем обладает Земля и другие объекты.

Количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции. Магнитное поле изображается линиями вектора магнитной индукции. Касательные к ним в каждой точке поля совпадают с направлением вектора магнитной индукции. Линии магнитной индукции замкнуты. Линии магнитной индукции полей постоянных магнитов направлены от северного полюса к южному. Линии магнитной индукции поля прямого тока окружают его и направлены согласно правилу правого винта (буравчика). Линии магнитной индукции кругового тока направлены по оси этого круга и также согласно правилу правого винта.

Со стороны магнитного поля на проводник с током действует сила Ампера. Ее числовое значение вычисляется по формуле:

где Fa сила Ампера [ Fa ] Н; B модуль вектора магнитной индукции [B] Тл (Тесла); I сила тока в проводнике [I ] А; l длина активной части (находящейся в магнитном поле) проводника [l ] м; угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением силы тока.

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки (правило Флеминга): Если левую руку расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, причем четыре пальца были направлены по току, то большой палец, отогнутый на 90°, покажет направление силы Ампера. Если проще пользоваться правилом левого винта то см. рис.

Сила, действующая на одну движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля, называют силой Лоренца:

где Fл сила Лоренца [ Fл ] Н; B модуль вектора магнитной скорость частицы [v] м/с; угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением скорости частицы.

Направление силы Лоренца определяется правилом левой руки:

направлению движения положительно заряженной частицы (если частица заряжена отрицательно – то против направления ее движения), так, чтобы перпендикулярная к направлению движения частицы составляющая модуля вектора магнитной индукции входила в ладонь, то большой палец, отогнутый на 90°, покажет направление силы Лоренца. Сила Лоренца изменяет направление движение заряженной частицы, закручивая ее вокруг линий поля, и не совершает работы. Это свойство используется в ЭЛТ и массспектрографах – приборах для измерения удельного заряда (отношения заряда к массе) частицы. При вращении заряженной частицы вокруг линий магнитного поля центростремительное ускорение обеспечивается силой Лоренца.

Вещества, помещенные в магнитное поле, проявляют свойства намагничиваться - создавать собственные магнитные поля. В связи с особым характером циркулирующих внутри микроскопических токов все вещества классифицируют на три типа: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. Отношение индукции магнитного поля в веществе к индукции внешнего поля называется магнитной проницаемостью среды (вещества):

У диамагнетиков 1, так как собственное поле направлено против внешнего поля и ослабляет его. У парамагнетиков 1, так как собственное поле сонаправлено с внешним полем и усиливает его. Собственные поля диамагнетиков и парамагнетиков невелики, такие вещества незначительно изменяют индукцию внешнего поля. Величина собственного поля ферромагнетиков зависит от величины и направления внешнего поля, это явление называется гистерезис. Ферромагнетизм объясняется квантовой превращается в парамагнетик.

Электромагнитная индукция.

возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении числа линий магнитной индукции, пересекающих данный контур (при изменении потока магнитной индукции через контур).

произведение вектора магнитной индукции и вектора площади (перпендикулярно) к его плоскости):

где Ф поток магнитной индукции (магнитный поток) [Ф] Вб (Вебер); B модуль вектора магнитной индукции [B] Тл (Тесла);

S площадь контура [S ] м2; угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением нормали к плоскости контура.

Направление индукционного тока определяется правилом Ленца:

Возникающий в замкнутом проводящем контуре индукционный изменению магнитного потока, которым сам ток был вызван.

Закон электромагнитной индукции.

ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока через поверхность контура:

где Ф изменение потока магнитной индукции [Ф] Вб индукции [ i ] В. Знак минус учитывает правило Ленца.

При движении проводников в магнитном поле на их концах наводится ЭДС:

где угол между направлением вектора магнитной индукции и направлением скорости проводника.

проводнике, по которому уже течет ток. Между магнитным потоком индукционного тока и силой тока в проводнике существует прямая пропорциональная зависимость:

индуктивность [L] Гн (Генри). Тогда для ЭДС самоиндукции:

где I изменение силы тока в проводнике [I ] А.

Энергия магнитного поля индуктивного проводника может быть вычислена по формулам:

В природе не существует отдельно электрического поля и отдельно магнитного поля, а существует единое электромагнитное поле. Электромагнитное поле действует на заряд с силой, составляющей результат действия кулоновских сил электрического поля и сил Лоренца магнитного поля. Электромагнитное поле обладает энергией, состоящей из энергии электрической и магнитной его составляющих.

«МЕХАНИЧЕСКИЕ КОЛЕБАНИЯ».

Колебания – процесс, повторяющийся точно (или почти точно) через равные промежутки времени.

Смещением (x, [x] = м) называют отклонение колеблющегося тела от положения равновесия.

Амплитуда (А, [А] = м) – модуль максимального смещения.

Период (Т, [Т] = с) – время одного полного колебания.

Частота (n, [n] = Гц) – количество колебаний в секунду.

Циклическая (круговая) частота (, [] = рад/с = Гц) – количество колебаний за время равное 2 секунд.

Колебания, совершающиеся по закону синуса (или косинуса) называются гармоническими. Закон гармонических колебаний:

0 – начальная фаза [0] = рад.

Математический маятник – материальная точка на длинной тонкой нерастяжимой нити. Формула периода колебаний математического маятника:

T - период колебаний [T ] = с; l - длина нити маятника [l ] = м.

Физический маятник – груз на пружине. Формула периода колебаний физического маятника:

T - период колебаний [T ] = с; m - масса груза [ m ] = кг; k коэффициент жесткости пружины [ k ] = Н/м.

Если колебательная система, будучи однажды выведена из положения равновесия, далее предоставлена сама себе, то в системе совершаются свободные колебания. Если система колеблется под действием некоторой периодической вынуждающей силы, то в системе совершаются вынужденные колебания. При совпадении собственной частоты колебаний системы с частотой вынуждающей силы возникает резонанс – явление резкого возрастания амплитуды колебаний системы.

Волна – распространение колебаний в пространстве.

Волна называется продольной, если направление колебаний точек среды в волне совпадает с направлением распространения волны.

Волна называется поперечной, если направление колебаний точек среды в волне перпендикулярно направлениею распространения волны.

Длина волны (, [] = м) – расстояние, проходимое волной за время равное периоду колебаний точек среды в волне.

Скорость волны (v, [v] = м/с) – отношение длины волны к периоду колебаний точек среды в волне.

Звук – продольная механическая волна с частотой от 20 Гц до кГц, вызывающая слуховые ощущения у человека.

Скорость звука в данной среде постоянна, существуют таблицы скоростей звука в различных средах.

Явление отражения звука (эхо) используется для определения расстояний до объектов средствами эхолокации.

Энергетические и частотные характеристики звука описываются нелинейными логарифмическими зависимостями.

«ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ».

Электромагнитными колебаниями называют периодические изменения заряда (q, [q] = Кл), силы тока (I, [I] = А), напряжения (U, [U] = В).

Устройство, в котором осуществляются электромагнитные колебания, называется колебательным контуром. Простейший колебательный контур представляет собой конденсатор емкостью (C, [C] = Ф), замкнутый на катушку индуктивностью (L, [L] = Гн).

При разрядке конденсатора через катушку в контуре возникают свободные электромагнитные колебания. Энергия электрического поля конденсатора уменьшается до нуля, превращаясь в энергию магнитного поля катушки, которая достигает максимального значения. Затем сила тока в катушке начнет убывать, конденсатор перезарядится, т.е. энергия магнитного поля катушки уменьшится до нуля, превращаясь в энергию электрического поля конденсатора.

Такие колебания будут быстро затухать из-за потерь энергии, выделяющейся в виде тепла в катушке и проводниках. Колебания могут быть вынужденными и не прекращаться, поддерживаемые внешним источником ЭДС. Вынужденные электромагнитные колебания вызывают переменный электрический ток, периодически изменяется не только сила тока, но и направление движение зарядов. Период (Т, [Т] = с) электромагнитных колебаний в контуре Переменный ток вырабатывается на электростанциях с помощью генераторов. Промышленная частота переменного тока в России составляет 50 Гц.

Элементы электрической цепи, на которых энергия выделяется в виде тепла, называются активными. На активных элементах колебания силы тока и напряжения синфазны (происходят в определяется законом Ома для участка цепи и обозначается (R, квадратный корень из ее среднего значения. Именно действующие значения указываются на линиях переменного тока.

Элементы электрической цепи, оказывающие сопротивление протеканию переменного тока без выделения на них тепловой энергии, называются реактивными. Реактивное емкостное сопротивление (XC, [XC]=Ом) конденсатора 0 C определяются следующими формулами, где (0, [0] = Гц) – собственная циклическая частота колебаний в контуре. Колебания силы тока и напряжения на реактивных элементах отличаются по фазе. Колебания силы переменного тока на конденсаторе опережают по фазе колебания напряжения на четверть периода.

Колебания силы переменного тока на катушке отстают по фазе от (конденсатор активным сопротивлением не обладает).

Полное сопротивление цепи переменному току называется импеданс (Z, [Z]=Ом) цепи. В связи со сдвигом фаз колебаний силы тока и напряжения на реактивных элементах для вычисления импеданса строят векторные диаграммы сопротивлений. Для различных типов колебательных контуров это довольно трудоемкая специальная электротехническая задача, которую здесь рассматривать не будем.

В колебательных контурах при совпадении собственной частоты контура с частотой изменения внешнего питающего контур напряжения возникает электромагнитный резонанс и проявляется в резком возрастании амплитуды силы тока. Данное явление используют при настройке радио- и теле- аппаратуры на частоты передающих станций. Возможность электромагнитного резонанса необходимо учитывать при расчете электрических схем, так как в результате выделения большого количества тепловой энергии электрические схемы могут выйти из строя.

В связи с проблемами генерирования и транспортировки электрической энергии к потребителю возникла необходимость в преобразовании напряжения переменного тока без потерь представляют собой две катушки (обмотки) на замкнутом сердечнике из ферромагнетика. Первичная обмотка соединяется с Основной характеристикой трансформатора является коэффициент трансформации (К, [К]=1), равный отношению напряжения в первичной обмотке (U1, [U1] = В) к напряжению во вторичной обмотке (U2, [U2] = В). К= U1/U2. Если К>1, то трансформатор является понижающим напряжение, если К0 и D>0. Для рассеивающих