Взаимодействие тел. Первый закон Ньютона

Билет № 1

Взаимодействие тел. Первый закон Ньютона

Динамика – раздел физики, изучающий причины механического движения тел (почему? ). В основе динамики лежат законы Ньютона.

Демонстрация: на нити висит неподвижно тело. Действие на шарик двух тел – шнура и Земли – скомпенсированы. Вывод: тело находится в состоянии покоя, если действие на него других тел скомпенсировано. Но движение относительно: зависит от выбора системы отсчета.

Простые наблюдения и опыты, например с тележками, приводят к следующим качественным заключениям:

а) тело, на которое другие тела не действуют, сохраняет свою скорость неизменной;

б) ускорение тела возникает под действием других тел, но зависит и от самого тела;

в) действия тел друг на друга всегда носят характер взаимодействия.

Эти выводы подтверждаются при наблюдении явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчета.

1 закон Ньютона:

Существуют такие системы отсчета (инерциальные), относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела или действия других тел компенсируются.

Инерция – явление сохранения скорости тела постоянной при отсутствии внешних воздействий или их взаимной компенсации.

Значение 1 закона Ньютона: позволяет выбрать ИСО, в которой характер взаимодействия и движения тел однозначно определяются 2 и 3 законами Ньютона.

ИСО – физическая модель; СО, в которой скорость тела не изменяется, если на него не действуют другие тела или действия других тел компенсируются.

Если же на тело действуют другие тела и их действие не компенсируется, то скорость тела изменяется и характеризуется это изменение ускорением а=(u-u₀)/t.

При взаимодействии тел оба изменяют свою скорость, причем, оба тела получают ускорения, направленные в противоположные стороны и отношение модулей этих ускорений всегда одно и то же.

Примеры проявления инерции из жизни и практики (вредной и полезной): вытряхивание ковров, движение по инерции транспорта при изменении скорости, работа ДВС и электрического двигателя за счет вращения по инерции.

Билет№2

Сила. Масса. Второй закон Ньютона

Масса – мера инертности тела: чем больше масса тела, тем труднее изменить его скорость и наоборот.

Инертность – свойство тела сохранять скорость постоянной при отсутствии внешних воздействий или их взаимной компенсации.

Опыт показывает, что отношение модулей ускорений двух взаимодействующих тел равно обратному отношению их масс.

В простейших случаях взаимодействия количественной характеристикой является сила. Сила — причина ускорения тел по отношению к инерциальной системе отсчета или их деформации.

Сила — этовекторная физическая величина, являющаяся мерой ускорения, приобретаемого телами при взаимодействии.

Сила характеризуется: а) модулем; б) точкой приложения; в) направлением.

Единица измерения силы — ньютон. 1 ньютон — это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/св направлении действия этой силы, если другие тела на него не действуют. Сила измеряется динамометром.

На основании опытных данных были сформулированы законы Ньютона.

2 закон Ньютона: у скорение, с которым движется тело, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействующая сила:

а = F/m (векторная формула).

Равнодействующей нескольких сил называют силу, действие которой эквивалентно действию тех сил, которые она заменяет. Равнодействующая является векторной суммой всех сил, приложенных к телу.

F=F₁+F₂+...+F_n (векторная формула). Векторная сумма определяется по правилам сложения векторов (треугольника или параллелограмма).

Для решения задач закон часто записывают в виде: F = mа (векторная формула).

Закон можно применять для ИСО для тел, движущихся со скоростями намного меньшими скорости света.

Примеры: разгон, торможение транспорта

Способы определения массы тел: 1) на взаимодействии тела с эталоном массы

= . Применяется в астрономии - для небесных тел, в физике - для атомов и молекул.

2) взвешивание (на тела равной массы действуют равные силы тяжести).

Эталон массы: специально изготовленный из сплава платины и иридия цилиндр, хранится в Международной палате мер и весов в г. Севр близ Парижа. С достаточной точностью можно считать, что 1 л чистой воды при 15⁰С имеет массу 1 кг.

Билет № 4

Билет № 3

Билет № 6

Билет №5

Билет № 8

Билет №21

Билет №16

Билет № 27

Билет № 18

Билет № 20

Билет № 10

Билет № 7

Билет № 23

Билет № 15

Электрический ток в газах. Самостоятельный и несамостоятельный разряды. Плазма

Газы в обычных условиях почти полностью состоят из нейтральных молекул или атомов и, следовательно, являются диэлектриками. Ионизированные газы являются проводниками.

Различают несколько способов ионизации газа:

1. Термоионизация – под воздействием высоких температур;

2. Фотоионизация – под воздействием излучений;

3. Ударная ионизация – при столкновении быстрых частиц между собой.

Вследствие ионизации часть атомов распадается на положительно заряженные ионы и электроны. В газе могут образовываться и отрицательные ионы, которые появляются благодаря присоединению электронов к нейтральным атомам. Рекомбинация – процесс, обратный ионизации. Таким образом, носителями тока в газах являются электроны, положительные ионы и отрицательные ионы.

Электрическим током в газах называют упорядоченное положительных ионов к катоду, отрицательных ионов и электронов – к катоду. Явление прохождения электрического тока в газах по-другому называют газовым разрядом.

Рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) газового разряда.

А В

I_насыщ

0 U_насыщU_прU

Пусть с помощью какого-либо ионизатора в газе в единицу времени образуется определенное число пар заряженных частиц: положительных ионов и электронов.

Участок ОА: при небольшой разности потенциалов между электродами не все образующиеся ионы и электроны достигают электродов, часть их рекомбинирует; по мере увеличения разности потенциалов число заряженных частиц, достигающих электродов, увеличивается – сила тока линейно возрастает.

Участок АВ: наступает момент, при котором все заряженные частицы, образующиеся в газе за единицу времени, достигают за это время электродов – ток достигает насыщения.

Если действие ионизатора на участках ОА и АВ прекратить, то прекратится и разряд, так как других источников носителей тока нет. Электрический ток, протекающий под действием внешнего ионизатора, называют несамостоятельным газовым разрядом.

Участок ВС: если продолжать увеличивать разность потенциалов на электродах, то с некоторого значения сила тока снова начнет резко возрастать, т.к. начнется:

1) ионизация электронным ударом (свободные электроны становятся настолько быстрыми, что при столкновениях с нейтральными атомами ионизируют их);

2) эмиссия (испускание) электронов с катода (быстрые положительные ионы выбивают с поверхности катода электроны).

Если действие ионизатора на участке ВС прекратить, то разряд не прекратится. Электрический ток, протекающий без действия внешнего ионизатора, называют самостоятельным газовым разрядом. В зависимости от свойств и состояния газа, а также характера и расположения электродов возникают различные виды самостоятельного разряда в газах:

Процесс перехода несамостоятельного газового разряда в самостоятельный называется электрическим пробоем и характеризуется напряжением пробоя.

Плазма – это частично или полностью ионизированный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически совпадают.

Различают высокотемпературную > 10⁵K и низкотемпературную < 10⁵K плазму. Проводимость плазмы увеличивается по мере роста степени ионизации. При высокой температуре полностью ионизированная плазма по своей проводимости приближается к сверхпроводникам. В состоянии плазмы находится около 99% вещества Вселенной (звезды, Солнце, межзвездная среда). Плазмой окружена и наша планета: верхний слой атмосферы на высоте 100-30 км – ионосфера, выше ионосферы – радиационные пояса Земли.

Примеры газового разряда:

Билет № 24

Билет № 9

Билет № 13

Билет № 11

Билет № 26

Билет №17

Интерференция света

Свет — это электромагнитные волны, соответствующие инфракрасному, видимому и ультрафиолетовому излучениям, в интервале частот 1, 5× 10¹¹–3× 10¹⁶ Гц. Видимое излучение – волны в диапазоне 4× 10¹⁴–7, 5× 10¹⁴ Гц.

Волновая оптика – раздел физики, изучающий явления, в которых проявляется волновая природа света. Наиболее наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции.

Интерференция волн – это явление взаимного усиления или ослабления двух (или более) когерентных волн при их наложении друг на друга при одновременном распространении в пространстве, приводящее к образованию устойчивой картины чередующихся максимумов и минимумов амплитуд результирующего колебания (пример: сложение двух волнна поверхности воды). Волны несут энергию, которая при интерференции перераспределяется.

Когерентные волны – волны, имеющие: 1) одинаковую частоту (длину волны) и 2) постоянную во времени разность фаз для данной точки пространства.

Интерференцией света называют усиление или ослабление освещенности в результате наложения световых волн.

Амплитуда результирующего колебания в данной точке пространства, создаваемого двумя источниками, зависит от геометрической разности хода волн до рассматриваемой точки: d = l₁- l₂.

1) Условие максимума: если разность хода волн dравна целому числу длин волн l (четному числу полуволн l/2), то волны приходят в точку Mсовпадая по фазе и усиливают друг друга: d = kl = 2m× l/2, Δ φ = 2π m, где m –целое число;

l₂

2 M

l₁

2) Условие минимума: если разность хода волн dравна нечетному числу полуволн l/2, то волны приходят в точку М в противофазе и ослабляют друг друга: d = (2m+1)× l/2, Δ φ = (2π +1)m, где m –целое число.

Примеры: Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных пленок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны. Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой пленки, частично проходят в нее. На второй границе пленки вновь происходит частичное отражение волны. Световые волны, отраженные двумя поверхностями тонкой пленки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути. Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн. Поэтому освещенная белым светом тонкая прозрачная пленка кажется окрашенной. Явление интерференции в тонких пленках применяется для контроля качества обработки поверхностей просветления оптики.

1¢

1 2¢

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

Бытовые источники света (лампы, свечи) не являются когерентными, т.е. не позволяют наблюдать явление интерференции. Наблюдать интерференцию стало возможным с помощью лазера. При отсутствии лазера для получения интерференционной картины пользуются схемой Юнга, где пучок света А разделяется на два пучка с помощью отверстий В и С. Поскольку эти пучки созданы одним и тем же источником, они являются когерентными и дают интерференционную картину.

Билет №19

Билет № 12

Опыты Резерфорда по рассеянию α -частиц. Ядерная модель атома

Слово «атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Под атомом долгое время, вплоть до начала XX в., подразумевали мельчайшие неделимые частицы вещества. К началу XX в. в науке накопилось много фактов, говоривших о сложном строении атомов.

В начале 20 в. широкое распространение получила модель атома Томсона: положительный заряд равномерно распределен по всему объему атома, а отрицательные частицы – электроны – плавают в этой положительной среде и полностью компенсируют ее заряд (кекс с изюмом).

Большие успехи в исследовании строения атомов были достигнуты в опытах английского ученого Эрнеста Резерфорда, который экспериментально проверял справедливость теории Томсона. В этих опытах узкий пучок α -частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обнаружено, что большинство α -частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т. е. рассеивается, а некоторые α -частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние α -частиц Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд не распределен равномерно в шаре радиусом 10^-10 м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома — атомном ядре. При прохождении около ядра α -частица, имеющая положительный заряд, отталкивается от него, а при попадании в ядро — отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует центральная положительно заряженная часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчеты показали, что для объяснения опытов нужно принять диаметр атомного ядра ≤ 10^-14 м.

Резерфорд предположил, что атом устроен подобно планетарной системе. Суть модели строения атома по Резерфорду заключается в следующем: в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена вся масса, вокруг ядра по круговым орбитам на больших расстояниях вращаются электроны (как планеты вокруг Солнца). Заряд ядра совпадает с номером химического элемента в таблице Менделеева.

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов:

1) электрон, имеющий заряд, должен за счет кулоновских сил притяжения упасть на ядро и время жизни атома должно быть очень короткое, а атом — это устойчивая система;

2) при движении по круговой орбите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т. е. излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейчатый спектр.

Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор.

Демонстрации: плакат «Опыт Резерфорда. Планетарная модель строения атома».

Билет №14

Билет №25

Билет №22