Курс: физика

Контакты:

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема Введение. Кинематика. Механическое движение, ускорение, скорость.

Цель урока: дать студентам представление о зарождение и развитие физики как науки, а также о методах научного познания; ознакомить студентов с характерными признаками прямолинейного и равноускоренного движения; расширить и углубить знания об относительности движения; сформировать навыки сложения скоростей и перемещений, перехода от одной системы отсчета к другой.

Задачи урока:

Дидактические: углубить знания студентов об развитие физики как науки; способствовать формированию и развитию умений применять законы физики для объяснения процессов, протекающих в окружающем мире, доказывать и обосновывать свою точку зрения.

Развивающие: развивать память, воображение, догадку и сообразительность, логическое и творческое мышление; способствовать развитию речи, мышления, сенсорной (восприятие внешнего мира через органы чувств) сферы личности; способствовать формированию и развитию коммуникативных навыков и навыков сотрудничества в процессе работы в группах.

Воспитательные: формирование взаимопомощи, доброжелательного отношения друг к другу, развивать культуру общения и культуру ответа на вопросы, умение выслушать других при работе в классе, в группах; способствовать формированию самооценки и критического мышления.

Демонстрации: -

Межпредметные связи: биология, математика, химия.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, экран, презентация Power Point, анимация из интернета.

ТСО: Электронный репетитор “Символ – Тест”

Учебно-наглядные пособия: плакаты, стенды «Основные физические величины», «Периодическая система элементов Д.И. Менделеева», система Си, учебники, журналы и т.д.

Раздаточный материал: карточки с заданиями, контрольные листы.

Педагогическая технология: рефлексивно-критическая, коммуникативная.

Тип урока: комбинированный урок. Изучение нового материала, с использованием элементов беседы.

Вид урока: беседа с элементами дискуссии, практикум

Метод: проблемный, поисковый, рефлексия.

Литература для учащихся:

1) Г.Я.Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н Сотский. Физика: учебник для 10 класса общеобразовательных учреждений. Москва «Просвещение» 2010.

2) Дмитриева В.Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.

3) Немченко К.Э. Физика в схемах и таблицах. — М., 2014. Самойленко П.И. Физика для профессий и специальностей социально-экономического и гуманитарного профилей: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.

4) Рымкевич А. П. «Сборник задач по физике».10 – е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2006

Информационные ресурсы:

www.booksgid.com (Воокs Gid. Электронная библиотека).
www.globalteka.ru (Глобалтека. Глобальная библиотека научных ресурсов).
http://www.physics.ru Открытый колледж: Физика

ПЛАН УРОКА

Демонстрации

20 мин.

1. Слайды из истории развития физики (портреты Аристотеля, Архимеда, Демокрита, Пифагора, Галилея и др.).

2. Видео-фрагмент «Жизни Галилея».

3. Простейшие измерительные приборы.

4. Плакаты с изображением основных физических величин

Изучение нового материала

45 мин.

1. Основные понятия кинематики.

2. Виды движении.

Период и частота.

Закрепление изученного материала

25 мин.

1. Решение задач.

2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Основные понятия кинематики.

Механическое движение – изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Тело, относительно которого рассматривается движение, называется началом отсчета. Покой и движение – понятия относительные.

Для определения положения тела в пространстве через начало отсчета проводятся три взаимно перпендикулярные координатные оси с одинаковыми масштабами по осям. Совокупность начала отсчета и координатных осей называется системой координат. Система координат и часы, измеряющие время, составляют систему отсчета.

Материальной точкой называется тело, размерами которого в данных условиях можно пренебречь.

Траекторией материальной точки называется линия, которую она описывает при движении относительно начала отсчета.

Перемещение – это вектор, проведенный из начального положения материальной точки в конечное.

Путь – это длина участка траектории, пройденного материальной точкой за данный промежуток времени. В отличие от перемещения путь – это скалярная величина.

Рис. 1. Путь l и перемещение

Скоростью (мгновенной скоростью) движения называется векторная величина, равная отношению перемещения к малому промежутку времени, за которое это перемещение производится:

Положение материальной точки в пространстве в любой момент времени можно определить при помощи зависимости координат от времени:

Радиус-вектор – это вектор, соединяющий начало отсчета с положением материальной точки в текущий момент времени, т. е. вектор с проекциями по осям (x, y, z).

Скоростью (мгновенной скоростью) движения называется векторная величина, равная отношению малого перемещения к бесконечно малому промежутку времени, за которое это перемещение производится:

Модуль скорости тела можно определить графически – это тангенс угла наклона графика зависимости модуля перемещения тела s от времени t.

По графику скорости можно узнать перемещение тела. Его значение равно площади фигуры, ограниченной графиком скорости, координатной осью и прямыми t = t₁ и t = t₂.

Рис. 3. Скорость и перемещение

Иногда в механике также рассматривается средняя скорость, равная отношению пройденного пути ко времени, которое движется тело:

Понятие средней скорости оказывается полезным в технике.

Если система отсчета K' движется относительно системы отсчета K со скоростью и проходит при этом расстояние то перемещение и скорость в системе отсчета Kсвязаны с перемещением и скоростью в системе K' следующими формулами:

Рис. 4. Сложение перемещений относительно разных систем отсчета

Ускорением называется векторная величина, равная отношению малого изменения скорости к малому промежутку времени, за который происходило это изменение:

При равноускоренном прямолинейном движении ускорение может быть определено по наклону графика скорости.

Рис. 5. Ускорение и скорость

2. Виды движении.

Равномерным прямолинейным движением называют движение, при котором материальная точка за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения вдоль данной прямой линии. Скорость равномерного движения определяется по формуле:

где s – перемещение тела за время t.

Рис. 1. Перемещение, скорость и ускорение при равномерном прямолинейном движении

Величина

Формула

Единица измерения

График

Скорость

м/с

Перемещение

Время

Рис. 2. Равномерное движение

Если при движении тела его скорость изменяется по модулю и (или) направлению, то можно ввести понятие ускорения. Ускорение есть векторная физическая величина, определяемая как отношение малого изменения скорости к малому промежутку времени за который произошло это изменение:

Равноускоренным прямолинейным движением называется прямолинейное движение, при котором скорость тела меняется линейно со временем:

Здесь υ₀ – начальная скорость тела при t = 0. Коэффициент пропорциональности a – ускорение тела. При равноускоренном движении ускорение тела постоянно.

Рис. 3. Перемещение, скорость и ускорение при равноускоренном прямолинейном движения

В общем случае ускорение тела – векторная величина. При движении тела вдоль прямой линии ускорение можно определить по формуле:

$а = \frac{v - v_{0}}{t}$

где – изменение скорости тела за время t. В этом случае ускорение описывается скалярной величиной.

Перемещение тела при равноускоренном прямолинейном движении выражается соотношением:

где – координата тела в момент времени t = 0.

Выражение для перемещения s может быть представлено в виде:

Примером равноускоренного движения является свободное падение тела с высоты h в безвоздушном пространстве. Ускорение свободного падения тела не зависит от самого тела и всегда направлено вертикально вниз. Высота тела при этом определяется формулой (при условии, что начальная скорость равна нулю). Время падения с высоты h равно:

При равномерном движении со скоростью υ по окружности радиуса R ускорение (центростремительное ускорение) постоянно по величине:

но изменяется по направлению, оставаясь всё время направленным к центру окружности. Скорость материальной точки при этом всё время направлена по касательной к окружности.

Рис. 5. Равномерное движение по окружности

3. Период и частота.

Период обращения T – это промежуток времени, в течение которого материальная точка совершает один оборот при равномерном движении по окружности. Скорость движения тела при этом можно записать как:

Частота обращения ν – это число оборотов, совершаемых материальной точкой при равномерном движении по окружности за единицу времени:

В физике широко используют понятие круговой частоты:

ω = 2πν.

В этом случае центростремительное ускорение записывается в виде:

а_ц = w²R

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ ВО ВРЕМЯ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Приведите примеры прямолинейного равномерного движения.

2. Показывает скорость тела в случае прямолинейного равномерного движения?

3. Можно ли утверждать, что тело движется прямолинейно равномерно, если оно:

а) каждую секунду проходит путь, равный 1 м;

б) движется вдоль прямой в одном направлении и за каждую секунду проходит путь 2 м?

4. Какая скорость больше: 1 м/с или 3 км/ч.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Тренируемся решать задачи

1. Скорость моторной лодки относительно воды 6 км/ч., а скорость течения реки - 2 км/ч. Во сколько раз быстрее лодка движется по течению, чем против течения?

2. Скорость лодки относительно воды - 4 км/ч., а скорость течения - 2 км/ч. За какое время лодка пройдет 12 км по течению реки? против течения?

3. Велосипедист движется со скоростью 25 км/ч., а автомобиль - 55 км/ч. С какой скоростью движется автомобиль относительно велосипедиста, если:

а) он движется навстречу велосипедисту;

б) догоняет его;

в) удаляется от него после обгона?

4. Пловец переплывает реку шириной 150м, двигаясь со скоростью 2 м/с относительно воды. Скорость течения равна 1 м/с.

а) Каковы скорость и перемещение пловца относительно берега, если он движется перпендикулярно течению реки? Сколько времени необходимо пловцу, чтобы переплыть реку? На какое расстояние при этом его снесет течением?

б) время понадобится пловцу, чтобы переплыть реку, проплывая наименьшее расстояние относительно берега? Каким в этом случае будет его перемещения относительно воды?

5. Поезд начинает движение из состояния покоя и движется рівноприскорено. На первом километре пути его скорость возрастает до 10 м/с. Насколько она вырастет на втором километре?

Решения

Из формулы пути следует, что скорость поезда после прохождения первого километра равна:

а после прохождения второго километра (когда пройденный путь равен Тогда то есть Следовательно, Δ2 = 4,1 м/с.

2). Контрольные вопросы

1. Может ли человек, который находится в вагоне поезда, движущегося быть неподвижной относительно Земли?

2. Пассажир поезда, движущегося, смотрел в окно встречный поезд, проезжал мимо него. Когда встречный поезд промчался, пассажиру показалось, что его поезд замедлил ход. Почему?

3. Приведите примеры, которые подтверждают, что движение и состояние покоя являются относительными.

4. Всегда как неподвижную систему отсчета необходимо принимать ту, что связана с Землей?

5. Почему дождевые капли в безветренную погоду оставляют наклонные полосы на стеклах автомобиля, движущегося равномерно?

Что мы узнали на уроке

Перемещение тела в «неподвижной» системе отсчета равна векторной сумме перемещение тела 1 в «движущейся» системе отсчета и перемещения 2 «движущейся» системы отсчета относительно «неподвижной»:

Скорость тела в «неподвижной» системе отсчета равна векторной сумме скорости тела 1 в «движущейся» системе отсчета и скорости 2 «движущейся» системы отсчета относительно «неподвижной»:

Движение с переменной скоростью, когда за одинаковые промежутки времени тело проходит разные пути, называют неравномерным.

Средней скоростью называют отношение перемещения тела к промежутку времени t, в течение которого произошло это перемещение:

Средняя путевая скорость равна отношению пути, пройденного телом, ко времени движения:

Мгновенной скоростью называют величину, которая равна отношению очень малого перемещения к промежутку времени, в течение которого это перемещение произошло:

Ускорение - это векторная величина, характеризующая изменение скорости тела и равна отношению изменения скорости ко времени, за которое это изменение произошло:

Равноускоренное движение - прямолинейное движение, когда скорость тела за любые равные промежутки времени изменяется на одну и ту же векторную величину.

Уравнение скорости:

Уравнение проекции скорости:

Проекция перемещения в случае прямолинейного равноускоренного движения с начальной скоростью:

Проекция перемещения в случае прямолинейного равноускоренного движения без начальной скорости:

Уравнение координаты в случае прямолинейного равноускоренного движения:

Средняя скорость в случае прямолинейного равноускоренного движения:

Соотношение между перемещением и скоростью:

- с начальной скоростью:

- без начальной скорости:

Проекция скорости в случае прямолинейного равноускоренного движения:

Домашнее задание

1. П.: § 1 – 19.

2. Упр. 1,2,3,4,5

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема 1.2. Динамика. Законы механики ньютона.

Цель урока: раскрыть содержание первого закона Ньютона; ввести понятие инерциальной системы отсчета. Ввести понятие «инертность»; ознакомить студентов с понятием «масса тела» и способами ее измерения; ознакомить студентов с зависимостью между ускорением, что приобретается телом, и силой, что на него действует. Раскрыть содержание третьего закона Ньютона; углубить знания о взаимодействии тел.

Задачи урока:

Развивающая: развивать память, воображение, догадку и сообразительность, логическое и творческое мышление; способствовать развитию речи, мышления, сенсорной (восприятие внешнего мира через органы чувств) сферы личности; способствовать формированию и развитию коммуникативных навыков и навыков сотрудничества в процессе работы в группах.

Воспитательная: формирование взаимопомощи, доброжелательного отношения друг к другу, развивать культуру общения и культуру ответа на вопросы, умение выслушать других при работе в классе, в группах; способствовать формированию самооценки и критического мышления.

Демонстрации: -

Межпредметные связи: биология, математика, химия.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, экран, презентация Power Point, анимация из интернета.

ТСО: Электронный репетитор “Символ – Тест”

Раздаточный материал: карточки с заданиями, контрольные листы.

Педагогическая технология: рефлексивно-критическая, коммуникативная.

Тип урока: комбинированный урок. Изучение нового материала, с использованием элементов беседы.

Вид урока: беседа с элементами дискуссии, практикум

Метод: проблемный, поисковый, рефлексия.

Литература для учащихся:

4) Рымкевич А. П. «Сборник задач по физике».10 – е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2006

Информационные ресурсы:

www.booksgid.com (Воокs Gid. Электронная библиотека).
www.globalteka.ru (Глобалтека. Глобальная библиотека научных ресурсов).
http://www.physics.ru Открытый колледж: Физика

ПЛАН УРОКА

Демонстрации

15 мин.

1. Движение тела по инерции.

2. Опыты, демонстрирующие свойства инертности.

3. Взаимодействие колясок.

4. Видео-фрагмент «Явление инерции»

Изучение нового материала

45 мин.

1. Динамика.

2. Законы механики Ньютона.

3. Плотность вещества.

Закрепление нового материала

30 мин.

1. Тренируемся решать задачи.

2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Динамика

Динамика (греч. δύναμις — сила) — раздел механики, в котором изучаются причины возникновения механического движения. Динамика оперирует такими понятиями, как масса, сила, импульс, момент импульса, энергия.

Также динамикой нередко называют, применительно к другим областям физики (например, к теории поля), ту часть рассматриваемой теории, которая более или менее прямо аналогична динамике в механике, противопоставляюсь обычно кинематике (к кинематике в таких теориях обычно относят, например, соотношения, получающиеся из преобразований величин при смене системы отсчета).

Иногда слово динамика применяется в физике и не в описанном смысле, а в более общелитературном: для обозначения просто процессов, развивающихся во времени, зависимости от времени каких-то величин, не обязательно имея в виду конкретный механизм или причину этой зависимости.

Динамика, базирующаяся на законах Ньютона, называется классической динамикой. Классическая динамика описывает движения объектов со скоростями от долей миллиметров в секунду до километров в секунду.

Однако эти методы перестают быть справедливыми для движения объектов очень малых размеров (элементарные частицы) и при движениях со скоростями, близкими к скорости света. Такие движения подчиняются другим законам.

С помощью законов динамики изучается также движение сплошной среды, т. е. упруго и пластически деформируемых тел, жидкостей и газов.

В результате применения методов динамики к изучению движения конкретных объектов возник ряд специальных дисциплин: небесная механика, баллистика, динамика корабля, самолёта и т. п.

Законы механики Ньютона

Первый закон Ньютона. Если на тело не действуют силы или их действие скомпенсировано, то данное тело находится в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Существуют такие системы отсчета, относительно которых тело движется равномерно и прямолинейно, если на него не действуют другие тела, или действия других тел компенсируются; эти системы отсчета называются инерциальными.

Не все системы отсчета являются инерциальными.

Если система отсчета является инерциальной, то любая другая система отсчета, движущаяся относительно нее равномерно и прямолинейно, также инерциальна. Системы отсчета, движущиеся относительно инерциальной системы с ускорением, являются неинерциальными.

Принцип относительности Галилея

Во всех инерциальных системах отсчета при одинаковых начальных условиях все механические явления протекают одинаково.

Инерция - это явление сохранения скорости тела. Поэтому первый закон Ньютона называют законом инерции.

Инертность - это свойство тела, заключающееся в его способности сохранять скорость. Более инертными являются тела, которые медленнее изменяют свою скорость. Мерой инертности является масса.

О тело, что вследствие взаимодействия получает меньшее ускорение, то есть за время взаимодействия меньше изменяет свою скорость, говорят, что оно более инертно, чем второе из двух тел, которые взаимодействуют. Менее инертным является то тело, что за время взаимодействия больше меняет свою скорость, то есть получает большее ускорение. Но любому телу для изменения скорости требуется определенное время. У одного тела, при одном взаимодействия скорость не может измениться мгновенно. Это свойство тел называется инертностью.

Инертность - это свойство, которое характерно для всех тел и заключается в том, что для изменения скорости тела требуется время.

Необходимо обратить внимание студентов на то, что инертность - это свойство тела.

Мгновенное увеличение или уменьшение скорости тела является нереальным. Так, скорость движения автомобилей и поездов, трогаются с места, нарастает постепенно. Скорость ракеты-носителя во время старта с Земли изменяется не рывком, а постепенно. Постепенно растет и скорость лыжника во время спуска с горы. Так же постепенно меняется и скорость тел во время торможения: не могут остановиться мгновенно спортсмен на финише, автомобиль на углу, поезд перед семафором.

Свойство тела - инертность - характеризуется физической величиной - массой.

Два тела взаимодействуют. И то будет более инертным и будет иметь большую массу, которое получит меньше по модулю ускорения. Второе тело менее инертно, будет иметь меньшую массу. Поэтому говорят, что

Масса тела - это мера его инертности.

Например, во время выстрела винтовка получает меньшее ускорение, чем пуля. Итак, винтовка более инертна, чем пуля, то есть масса винтовки больше массы пули.

Обозначим массы тел, взаимодействующих, через т1 и т2, а ускорение, которое они получают, - через а1 и а2, тогда можно записать:

Отношение модулей ускорений двух тел, взаимодействующих, обратно пропорционально отношению их масс.

Единицей массы в системе СИ является килограмм (1 кг).

Эталоном массы служит платиново-иридиевую цилиндр, хранящийся в Международном бюро мер и весов во Франции.

Основные свойства массы:

1. Масса тела - величина инвариантная, т.е. не зависит от выбора системы отсчета.

2. Масса тела не зависит от скорости движения тела.

3. Масса тела - величина аддитивная, т.е. масса тела равна сумме масс всех частиц, из которых тело состоит, а масса системы тел равна сумме масс тел, образующих систему.

4. В классической механике срабатывает закон сохранения массы: во время любых процессов, протекающих в системе тел, общая масса системы остается неизменной; масса тела не изменяется в результате его взаимодействия с другими телами.

Одним из самых распространенных способов прямого измерения массы взвешивание: тела, имеющие одинаковую массу, с одинаковой силой притягиваются к Земле. Для такого измерения массы используют различные весы.

Взвешивание - один из самых удобных способов измерения массы, однако отнюдь не универсальный.

Как, например, измерить массу молекулы или массу Луны? Положить эти объекты на чашу весов невозможно. В этом случае необходимо принять во внимание тот факт, что масса - это мера инертности.

Проводя опыты, в которых тело с неизвестной массой определенным образом взаимодействует с телом известной массы, и измерив ускорение, которые они получают, мы сможем записать равенство:

где mт - масса тела известной массы; mx - масса тела неизвестной массы; ао и ах - модули ускорений соответственно тела известной и неизвестной масс.

Отсюда получаем:

Масса тела - физическая величина, количественно характеризующая инертность тела. [m] = кг.

Свойство тел сохранять свою скорость при отсутствии действия на него других тел называется инерцией.

Масса тела – количественная мера его инертности. В СИ она измеряется в килограммах.

Системы отсчета, в которых выполняется первый закон Ньютона, называются инерциальными. Системы отсчета, движущиеся относительно инерциальных с ускорением, называются неинерциальными.

Сила – количественная мера взаимодействия тел. Сила – векторная величина и измеряется в ньютонах (Н). Сила, которая производит на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил, называется равнодействующей этих сил.

Второй закон Ньютона. Ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально его массе:

или

Если два тела взаимодействуют друг с другом, то ускорения этих тел обратно пропорциональны их массам.

Рис. 1. Взаимодействие двух тел

Третий закон Ньютона. Силы, с которыми тела взаимодействуют друг с другом, равны по модулю и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны.

Каждое тело имеет свои размеры и массу – это утверждение ни у кого из вас не вызывает сомнения; масса тела зависит не только от размеров, но и от того, из какого вещества оно состоит.

Плотность вещества.

Проведём небольшое исследование (к демонстрационному столу приглашается ученик, он проводит небольшое исследование на демонстрационном столе, остальные ребята – самостоятельно, за своими партами): перед вами штангенциркуль и два шарика (диаметры шариков равные) – серого и зелёного цвета, – определите объёмы тел (т.к. учащиеся ещё не знают формулу нахождения объёма шара, они оценивают объёмы шариков по равенству их диаметров). При помощи весов сравните массы тел, сделайте вывод.

Т.к. тела изготовлены из металла и пластмассы, серый и зелёный шарики соответственно, школьники легко приходят к выводу: тела, имеющие равные объёмы, но изготовленные из разных веществ, имеют разные массы.

(Результаты эксперимента записывают в тетрадь):

V₁= V₂; тела изготовлены из разных веществ: m₁ m₂.

Продолжим наши исследования, для следующего опыта возьмем два цилиндра (опыт за демонстрационным столом выполняется следующим учащимся, остальные ребята – на своих рабочих местах): перед вами два цилиндра, вы легко узнаёте материалы, из которых они выполнены – дерево и пластилин. Сравнивая диаметры (диаметры цилиндров равные) и высоту цилиндров, они оценивают объёмы тел: V₁ V₂. При помощи весов сравните массы тел, сделайте вывод.

Т.к. тела изготовлены таким образом, что их массы равны, ребята приходят к выводу: тела, имеющие равные массы, изготовленные из разных веществ, имеют разные объёмы.

(Результаты эксперимента записывают в тетрадь):

m₁= m₂; тела изготовлены из разных веществ: V₁ V₂.

Чем это можно объяснить? - Разные вещества имеют разную плотность. Плотность показывает, чему равна масса вещества, взятого в объёме 1м³ (или 1 см³).

Как же найти плотность вещества?

Вы знаете, что у нас в городе есть БрАЗ - завод, выпускающий алюминий. В таблице приведены данные о продукции завода:

	алюминиевые слитки
*масса, кг*	*6,2*	18	*9,7*	*4,6*
*объём,* м³	*0,0023*	*0,0065*	*0,0036*	*0,0017*
*произведение массы и объёма*	*0,014*	*0,117*	*0,035*	*0,009*
*частное массы и объёма*	*2696*	*2706*	*2694*	*2705*

Сравните произведение массы и объёма и их частное. Какую закономерность наблюдаем?

Произведения m•V для разных слитков оказываются различными, другое дело отношение m/V – оно оказалось практически одинаковым для всех ситуаций; видимо, отношение m/V есть смысл отметить как своеобразный параметр вещества, его характеристику. Этой характеристике вещества и дали название “плотность вещества”.

И так, чтобы найти плотность вещества, необходимо массу вещества разделить на объём:

! Физическая величина, численно равная массе вещества в единице объёма, называется плотностью данного вещества.

Можно ли измерять плотность кроме в Чаще применяется

Преобразуем значение плотности, выраженное в в

Что означает эта величина? Что за вещество имеет данную плотность? – учёные экспериментально рассчитали плотности веществ и создали таблицы “Плотности веществ”, в нашем учебнике – стр. 50. Вещество, о котором говорилось выше – медь.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ ВО ВРЕМЯ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Когда скорость тел может меняться?

2. Приведите примеры «сохранение скорости в природе и технике.

3. Чем отличается точка зрения Галилея (что касается движения тел) от точки зрения Аристотеля?

4. Возможно, инерциальную систему отсчета связать с каким-либо реальным телом?

5. Является ли инерциальной система отсчета, которая движется с ускорением относительно какой-либо инерциальной системы?

6. Что является причиной ускорения тел?

7. Как проявляются свойства инертности тел?

8. Какой величиной характеризуется инертность тела?

9. Вызывает постоянная сила постоянное ускорение?

10. Как зависит модуль ускорения от модуля силы?

11. Как направлено ускорение тела, если известно направление к действующему силы?

12. Каково соотношение между силами, с которыми взаимодействуют два тела?

13. Что общего имеют две силы, с которыми взаимодействуют два тела?

14. Чем отличаются силы, с которыми взаимодействуют два тела?

15. Есть ли физическая разница между действием и противодействием?

16. Почему третий закон Ньютона называют законом взаимодействия?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Тренируемся решать задачи

1. Действия, каких тел на мяч компенсируются, когда мяч лежит на полу? Плавает в озере?

2. С железнодорожным составом связана система отсчета. В каких случаях она будет инерциальной:

а) поезд стоит на станции;

б) поезд отходит от станции;

в) поезд подходит к станции;

г) поезд движется равномерно на прямолинейном участке дороги?

3. Каскадер, выпрыгнув на ходу из поезда со скоростью 20 м/с, не сможет догнать поезд. Не рискует отстать от космической станции космонавт, вышедший в открытый космос со скоростью 8 км/с? Объясните свой ответ. (Ответ: Нет. Космонавт продолжает двигаться с той же скоростью, что и станция.)

4. При взаимодействии двух тел первых приобретает ускорение 0,5 м/с2, а второе - 4 м/с2. Масса какого тела больше и во сколько раз?

5. Стальная тележка, движущаяся со скоростью 4 м/с, столкнулся с неподвижным алюминиевой тележкой и после этого продолжил свое движение со скоростью 1 м/с. Какой скорости получил в результате столкновения алюминиевый тележка, если его масса в три раза меньше массы стального тележки?

6. Тело массой 2 кг, движущегося на юг, меняет скорость своего движения под действием постоянной силы 10 Н, направленной на север. Вычислите определите модуль и направление ускорения тела. Опишите характер движения тела.

7. Под действием силы 15 кН тело движется прямолинейно так, что его координата изменяется по закону х = -200 + 9t - 3t2.Вычислите массу тела.

8. Проекция скорости тела, движущегося прямолинейно вдоль оси Ох, изменяется по закону x = 5 - 2t. Вычислите импульс тела и импульс силы за 1 с и 4 с после начала движения, если масса тела 3 кг.

9. Небольшая лодка притягивается канатом к теплоходу. Почему же теплоход не движется в сторону лодки?

10. Человек массой 60 кг, стоя на коньках, отбрасывает от себя шар массой 3 кг, предоставляя ей в горизонтальном направлении ускорения 10 м/с2. Какое ускорение получает при этом сам человек?

11. Два человека тянут веревку в противоположные стороны, прикладывая силы в 100 Н каждый. Разорвется ли веревка, если она выдерживает натяжение, что не превышает 190 Н?

2). Контрольные вопросы

1. В чем заключается основная задача динамики?

2. Приведите примеры проявления инерции в природе и в технике.

3. Возможно ли связанную с Землей систему отсчета приближенно считать инерциальной?

4. В чем отличие взглядов Аристотеля, Галилея и Ньютона о причинах движения ?

5. Приведите примеры пар тел, которые бы отличались своей инертностью.

6. Свойство массы, на ваш взгляд, лежит в основе взвешивания? Обоснуйте свой ответ.

7. Можно ли, опираясь на формулу = m, утверждать, что сила, которая действует на тело зависит от массы этого тела и ускорения, которого предоставляет телу эта сила?

8. Как направлена равнодействующая сил, приложенных к автомобилю, когда он разгоняется на горизонтальной дороге?

9. Можно утверждать, что импульс тела и импульс силы - относительные величины? Обоснуйте свой ответ.

10. Можно ли вычислить равнодействующую сил действия и противодействия?

11. В каком случае две силы компенсируют друг друга?

12. Почему силы, возникающие вследствие взаимодействия, не уравновешивают друг друга? Приведите примеры.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Раздел механики, в котором изучаются причины, вызывающие ускорение, называют динамикой.

Закон инерции: если на тело не действуют другие тела, то оно движется прямолинейно и равномерно, или находится в состоянии покоя.

Системы отсчета, в которых выполняется закон инерции, называются инерциальными.

Первый закон Ньютона: существуют такие системы отсчета, относительно которых тела сохраняют свою скорость неизменной, если на них не действуют другие тела или действия других тел скомпенсированы.

Инертность - свойство, присущее всем телам и заключающееся в том, что для изменения скорости тела требуется время.

Масса тела - это мера его инертности.

Взаимодействие модулей ускорений двух взаимодействующих тел обратно пропорционально отношению их масс.

Основные свойства массы:

1. Масса тела - величина инвариантная, т.е. не зависит от выбора системы отсчета.

2. Масса тела не зависит от скорости движения тела.

3. Масса тела - величина аддитивная, т.е. масса тела равна сумме масс всех частиц, из которых состоит тело, а масса системы тел равна сумме масс тел, образующих систему.

4. В классической механике выполняется закон сохранения массы: в ходе любых процессов, происходящих в системе тел, общая масса системы остается неизменной; масса тела не меняется при его взаимодействии с другими телами.

Второй закон Ньютона:

Равнодействующая всех сил, приложенных к телу, равна произведению массы тела на его ускорение:

= m.

3 второго закона Ньютона получаем выражение для 1 Н:

Третий закон Ньютона: два тела взаимодействуют друг с другом с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению:

1 = -2.

Силы, с которыми тела взаимодействуют друг с другом, направлены вдоль одной прямой и имеют одинаковую физическую природу.

Домашнее задание

1. П.: § 20 – 28.

2. Упр.6 № 2,4,5.

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема. Силы в механике.

Цель урока: ознакомить студентов с законом всемирного тяготения; дать учащимся представление о понятии силы тяготения; ознакомить с природой этой силы. Познакомить их с движением тела под действием силы тяжести; дать учащимся представление о понятие веса тела, невесомость, перегрузки; ознакомить студентов с природой силы упругости, зависимости силы упругости от деформации.

Задачи урока:

Демонстрации: -

Межпредметные связи: биология, математика, химия.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, экран, презентация Power Point, анимация из интернета.

ТСО: Электронный репетитор “Символ – Тест”

Раздаточный материал: карточки с заданиями, контрольные листы.

Педагогическая технология: рефлексивно-критическая, коммуникативная.

Тип урока: комбинированный урок. Изучение нового материала, с использованием элементов беседы.

Вид урока: беседа с элементами дискуссии, практикум

Метод: проблемный, поисковый, рефлексия.

Литература для учащихся:

4) Рымкевич А. П. «Сборник задач по физике».10 – е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2006

Информационные ресурсы:

www.booksgid.com (Воокs Gid. Электронная библиотека).
www.globalteka.ru (Глобалтека. Глобальная библиотека научных ресурсов).
http://www.physics.ru Открытый колледж: Физика

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	15 мин.	Три закона механики Ньютона
Демонстрации	25 мин.	1.Видео-фрагмент «Всемирное тяготение». Падение тел на землю. 2. Центр тяжести тел. 3. Движение тела, брошенного вертикально вверх и вниз. 4. Движение тела, брошенного горизонтально. 5. Движение тела, брошенного под углом к горизонту 6. Демонстрация состояния невесомости. 7. Два видео-фрагменты: а) «Невесомость»; б) «Перегрузки» 8. Деформации растяжения и сжатия. 9. Упругие и неупругие деформации 10. Зависимость силы упругости от деформации тела.
Изучение нового материала	30 мин.	1. Гравитационная сила, сила тяжести. 2. Сила тяжести. Ускорение свободного падения 3. Сила упругости т закон Гука.
Закрепление изученного материала	20 мин.	1. Тренируемся решать задачи. 2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Гравитационная сила, сила тяжести.

История открытия закона всемирного тяготения. На склоне своих дней Исаак Ньютон рассказал, как это произошло: он гулял по яблоневому саду в поместье своих родителей и вдруг увидел Луну в дневном небе. И тут на его глазах от ветки оторвалось и упало на землю яблоко. Поскольку Ньютон в это самое время работал над законами движения, он уже знал, что яблоко упало под воздействием гравитационного поля Земли. Знал он и о том, что Луна не просто висит в небе, а вращается по орбите вокруг Земли, а, следовательно, на него воздействует какая-то сила, что удерживает его от того, чтобы сорваться с орбиты и улететь вдаль, в открытый космос. Тут ему и пришло в голову, что, возможно, это одна и та же сила заставляет яблоко падать на землю, и Луну оставаться на околоземной орбите.

Чтобы сполна оценить весь блеск этого озарения, вернемся ненадолго к его предыстории. Когда выдающиеся предшественники Ньютона, в частности Галилей, изучали равноускоренный движение тел, падающих на поверхность Земли, они были уверены, что наблюдают явление исключительно земной природы - такое, что существует только вблизи поверхности нашей планеты. Когда другие ученые, например, Иоганн Кеплер, изучали движение небесных тел, они полагали, что в небесных сферах действуют совсем другие законы, которые отличаются от тех, управляющие движением здесь, на Земле.

История науки свидетельствует о том, что практически все представления о движении небесных тел Ньютона заключались в основном в том, что небесные тела, будучи совершенными, двигаются круговыми орбитами благодаря своему совершенству, поскольку круг - суть идеальная геометрическая фигура. Итак, выражаясь современным языком, считалось, что есть два типа гравитации, и это представление устойчиво закрепилось в сознании людей того времени. Все считали, что есть земная гравитация, которая действует на несовершенной Земле, и есть гравитация небесная, что действует на совершенных небесах.

Прозрение же Ньютона как раз и состояла в том, что он объединил эти два типа гравитации в своем сознании. С этого исторического момента искусственный и ложный разделение Земли и остальной Вселенной прекратил свое существование.

Результаты расчетов Ньютона теперь называют законом всемирного тяготения Ньютона.

Закон всемирного тяготения

Сделав многочисленные расчеты, Ньютон пришел к выводу, что все тела в природе притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Используя астрономические данные и математические исчисления, Ньютон сформулировал закон всемирного тяготения:

Две материальные точки массами m1 и m2, находящихся на расстоянии R друг от друга, притягиваются с силой

Коэффициент пропорциональности G в законе всемирного тяготения называют гравитационной постоянной. Он численно равен силе, с которой притягиваются две материальные точки единичной массы (1 кг), находящихся на единичном расстоянии (1 м) друг от друга.

Измерения показали, что

Такое значение гравитационной постоянной объясняет, почему гравитационные силы между телами небольшой массы ничтожно малы, и мы их часто не замечаем. Ведь даже две пули, каждая массой с тонну, на расстоянии 1 м притягиваются друг к другу с силой лишь в 6,67 стотысячных долей ньютона. А для тел, которые имеют большую массу (звезд и планет), эти силы достигают больших значений.

Границы применимости закона всемирного тяготения

Закон всемирного тяготения имеет определенные границы применимости. Его можно применить:

а) для материальных точек;

б) для тел, имеющих форму шара;

в) для шара большого радиуса, взаимодействующего с телами, размеры которых значительно меньше размеров шара.

Эту формулу нельзя применить:

а) для взаимодействия бесконечного стержня и шара;

б) для тела и бесконечной плоскости.

Закон всемирного тяготения позволил Ньютону объяснить движение планет, морские приливы и отливы. Впоследствии астрономы с его помощью «на кончике пера» открыли самые отдаленные планеты нашей Солнечной системы - Нептун и Плутон. На основании этого закона прогнозируют солнечные и лунные затмения, рассчитывают движение космических кораблей.

Закон всемирного тяготения справедлив для точечных, а также сферически симметричных тел. Приближенно он выполняется для любых тел, если расстояние между ними значительно больше их размеров.

Рис. 1. Гравитационное взаимодействие двух тел

Одним из проявлений закона всемирного тяготения является сила тяжести. Сила тяжести направлена к центру Земли и на поверхности Земли равна:

F = mg,

где ускорение свободного падения

Здесь масса Земли равна а ее радиус

Вблизи поверхности Земли ускорение свободного падения равно g = 9,8 м/с².

Рис. 2. Сила тяжести на различных расстояниях от Земли.

При удалении от поверхности Земли сила земного тяготения и ускорение свободного падения изменяются обратно пропорционально квадрату расстояния r до центра Земли. Масса тела принята равной m = 70 кг

Сила, с которой тело действует на горизонтальную опору или подвес, называется весом тела

По третьему закону Ньютона с той же по модулю силой опора или подвес действует на тело; эта сила называется реакцией опоры

При неподвижной опоре или подвесе эта сила равна силе тяжести Следует помнить, что эти силы приложены к разным телам (рис. 3).

Рис. 3. Вес тела и реакция опоры

Если опора или подвес двигается с некоторым ускорением, то сила давления со стороны тела (то есть вес тела) изменяется.

В частности, если опора движется с ускорением направленным против силы тяжести, то вес тела обращается в нуль. Такое состояние называют невесомостью. Состояние невесомости испытывает космонавт в космическом корабле.

Вес тела

Вследствие земного притяжения все тела сжимают или прогибают сопротивления (рис. а) или растягивает подвес (рис. б).

Для характеристики такого действия вводится понятие веса тела.

Весом тела называют силу, с которой тело, вследствие его притяжения к Земле давит на опору или растягивает подвес.

Выясним причину возникновения веса тела. Для этого рассмотрим тело, лежащее на горизонтальной опоре.

На это тело действуют две силы: сила тяжести т = m, и сила реакции опоры . Поскольку эти силы приложены к разным точкам этого тела, то в результате действия этих сил тело деформируется (сжимается). В результате возникает сила упругости , которая действует на опору.

Силы и - это силы взаимодействия тела и опоры, поэтому, согласно третьему закону Ньютона, они одинаковы по модулю и противоположны по направлению:

Если тело и опора неподвижны относительно Земли (или совместно движущихся равномерно и прямолинейно), то, согласно второму закону Ньютона, + m = 0.

Следовательно, = m.

Из последнего равенства следует, что вес тела в состоянии покоя равна силе тяжести, действующей на это тело. Отсюда можно ошибочно сделать вывод о том, что вес и сила тяжести - это та самая сила. Рассмотрим, чем отличаются эти силы.

Во-первых, вес тела и сила тяжести, действующие на это тело, приложены к разным телам: сила тяжести приложена к телу, а вес - к опоре или подвесу.

Во-вторых, сила тяжести и вес имеют разную физическую природу: сила тяжести является частным случаем силы всемирного тяготения, а вес обычно является силой упругости.

В-третьих, сила тяжести равна весу тела лишь в том случае, если тело находится в состоянии покоя или движется с постоянной скоростью.

Вес тела, движущегося с ускорением

Теперь рассмотрим случай, когда тело, которое находится на опоре, движущейся с ускорением, направленным вверх.

Если опора, на которой лежит брусок начнет двигаться с ускорением , направленным вертикально вверх, то силы m и уже не зрівноважуватимуть друг друга, потому что их равнодействующая m + будет предоставлять бруску ускорение .

Согласно второму закону Ньютона, m + = m. Спроектировав это выражение на ось Оу, получаем:

С учетом того, что Р= N, окончательно получаем:

Если ускорение тела направлено вверх, то вес тела больше силы тяжести.

Рассуждая аналогично, можно показать вес тела, если ускорение тела направлено вниз:

Если ускорение тела направлено вниз, то вес тела меньше силы тяжести.

Необходимо обратить внимание учащихся на то, что вес тела зависит только от ускорения и не зависит от скорости.

Невесомость

Во время свободного падения груза его ускорение g = а, поэтому P = m(g - a) = 0, то есть вес тела равен нулю. Говорят, что тело находится в состоянии невесомости.

Состояние, при котором вес тела равен нулю, называется состоянием невесомости.

Следует отметить, что в состоянии невесомости вес тела равен нулю, но сила тяжести равна m.

Характерным свойством состояния невесомости является отсутствие «внутренних напряжений» в теле, например, отсутствие давления одних органов на другие в теле человека.

Длительного состояния невесомости испытывают космонавты в космическом корабле, когда его двигатели выключены. При этом космонавты вместе с космическим кораблем движутся под действием только сил тяготения (со стороны Земли, Луны или других космических тел).

Перегрузки

Во время старта космического корабля космонавты испытывают перегрузок. Этот термин означает, что вес космонавта по модулю становится больше силы тяжести. Выясним, почему это происходит.

После включения ракетного двигателя, когда ракета начинает разгоняться, ее движение и движение космонавта осуществляются с ускорением, направленным вертикально вверх. При этом вес космонавта будет больше силы тяжести:

Отношение силы, с которой тело давит на опору в случае ускоренного движения вверх, к его весу в инерциальной системе отсчета называют перегрузкой:

Когда вес тела больше силы тяжести, говорят, что тело испытывает перегрузки. Перегрузки испытывают пассажиры лифтов, космонавты во время взлета на ракете в космос, летчики во время выхода из пикирования и т.д. Вследствие перегрузки увеличивается не только вес человека в целом, но и каждого ее органа. Здоровый человек может без вреда для своего здоровья выдерживать кратковременные трехкратные перегрузки, то есть увеличение веса втрое. Космонавтам же во время старта и посадки космического корабля приходится выдерживать многократные перегрузки.

2. Сила тяжести. Ускорение свободного падения

С одним из проявлений закона всемирного тяготения знаком каждый. Это сила тяжести — сила, с которой тело притягивается к Земле. Сила тяжести приложена к телу и всегда направлена к Земле. Именно по направлению силы тяжести мы определяем понятия «низ» и «верх», «вертикаль» (с помощью отвеса).

Свободное падение - движение тел под действием только силы тяжести называется. Опыт показывает, что все свободно падающие тела имеют одно и то же ускорение.

Для демонстрации этого явления используется прибор, который называется трубкой Ньютона. Он представляет собой стеклянный цилиндр, из которого выкачан воздух. Помещенные в него перышко, дробинка и бумажный листок, свободно падая, одновременно достигают нижней части колбы.

Предположим, что вся масса Земли М сосредоточена в ее центре, и с помощью формулы закона всемирного тяготения определим выражение для ускорения свободного падения материальной точки массы т вблизи поверхности Земли. Ускорение свободного падения принято обозначать буквой g. Согласно второму закону Ньютона ускорение, которое тело приобретает под действием силы тяжести, равно: g =F/m. В соответствии с законом всемирного тяготения модуль силы тяготения F = (GmM)/(R_з)² где R₃ — радиус Земли, для тела, находящегося вблизи поверхности Земли, равен модулю силы тяжести. Подставляя это выражение в формулу для модуля ускорения свободного падения, получаем:

Очевидно, что ускорение свободного падения зависит от высоты тела над поверхностью Земли. Если тело находится на некоторой высоте h над поверхностью Земли, то в формулу для модуля ускорения свободного падения вместо радиуса Земли надо поставить расстояние между телом и центром Земли — (R_з + h), т. е.:

При увеличении высоты h ускорение свободного падения будет уменьшаться. Расчеты

показывают, что при поднятии на высоту 300 км ускорение свободного падения уменьшится лишь на 1м/c². Поэтому при оценке силы тяжести на высоте в десятки, сотни и даже тысячи метров ускорение свободного падения можно считать постоянным.

Как известно, Земля сплюснута у полюсов и радиус Земли на экваторе больше радиуса Земли на каждом из полюсов на 21,5 км. Это значит, что при движении от экватора к полюсу по меридиану ускорение свободного падения увеличивается, а значит, увеличивается и сила тяжести. Таким образом, ускорение свободного падения и, соответственно, сила тяжести зависят от широты местности.

При выводе формулы для ускорения свободного падения использовался закон всемирного тяготения в форме, справедливой только для материальных точек или однородных шаров. Земля не является однородным шаром. Очевидно, что там, где плотность земного вещества больше, больше сила притяжения и больше ускорение свободного падения.

Точные измерения ускорения свободного падения можно использовать для поиска залежей полезных ископаемых, например, железных РУД

3. Сила упругости. Закон Гука.

Изменение формы или размеров тела называется деформацией. Деформации бывают упругими и пластичными. При упругих деформациях тело восстанавливает свою форму и размеры после прекращения действия силы, при пластичных – нет. При упругих деформациях справедлив закон Гука: величина деформации пропорциональна вызывающей ее силе:

F_внешн = –F_упр = kx.

Коэффициент k называется жесткостью.

Свободным падением называется движение тел под действием силы тяжести

Падение тел, наблюдаемое нами в повседневной жизни, строго говоря, не является свободным, поскольку помимо силы тяжести на тела действует сила сопротивления воздуха. Но если сила сопротивления пренебрежимо мала по сравнению с силой тяжести, то движение тела очень близко к свободному (как, например, при падении маленького тяжёлого гладкого шарика).

Тела падают свободно в безвоздушном пространстве, например, внутри сосуда, из которого откачан воздух.

Поскольку сила тяжести, действующая на каждое тело вблизи поверхности земли, постоянна, то свободно падающее тело должно двигаться с постоянным ускорением, т. е. равноускорено (это следует из второго закона Ньютона).

Опыты подтверждают этот вывод. На рисунке 28 показаны положения свободно падающего шарика, который фотографировали через каждые 0,1 с с момента начала движения¹.

Рис. Равноускоренное движение свободно падающего шарика

Мы знаем, что модули векторов перемещений, совершаемых телом при прямолинейном равноускоренном движении за последовательные равные промежутки времени, относятся как ряд последовательных нечётных чисел. Именно такой ряд и образуют соответствующие перемещения шарика, показанные на рисунке 28:

s_I : s_II : s_III : s_IV : s_V ≈
≈ 4,9 см : 14,1 см : 24 см : 35 см : 45 см ≈
≈ 1 : 3 : 5 : 7 : 9.

Таким образом, отношение модулей векторов перемещений, совершённых шариком за последовательные равные промежутки времени, свидетельствует о том, что шарик в свободном падении двигался равноускорено.

Из рисунка 28 видно, что с момента начала движения шарик прошёл 1,23 м за 0,5 с, причём его начальная скорость была равна нулю. По этим данным можно вычислить модуль вектора ускорения шарика, выразив его из формулы

s = at²/2:

Свободное падение шарика происходит с ускорением 9,8 м/с².

А с каким ускорением будут свободно падать другие тела, например, кусочек ваты, картонная коробка из-под обуви, деревянная бусинка? Другими словами, зависит ли ускорение при свободном падении тел от их массы, объёма, формы и т. д.?

Ответ на этот вопрос даёт опыт, изображённый на рисунке 29. В стеклянной трубке длиной, приблизительно равной 0,8 м, находятся: кусочек пробки, дробинка, птичье перышко и монетка. Концы трубки герметично закупорены резиновыми пробками, в одной из которых имеется кран. Откачаем воздух из трубки и закроем кран. При перевёртывании трубки мы видим, что все находящиеся в ней тела одновременно достигают дна. В любой момент времени все эти предметы имеют одинаковые мгновенные скорости, а значит, движутся с одинаковым ускорением, которое называется ускорением свободного падения и обозначается буквой g (первой буквой латинского слова gravitas — «тяжесть»).

Рис. Не испытывая сопротивления воздуха, все тела в трубке совершают свободное падение

Ускорение свободного падения — ускорение, с которым движется тело во время свободного падения

Существуют способы определения числового значения g с большей точностью (например, до 0,00001 м/с²). Но при решении задач школьного курса физики, где не требуется высокой точности результата, обычно используют значение 9,8 м/с² или даже 10 м/с².

Свободное падение описывается теми же формулами, что и любое равноускоренное движение. Например, при падении из состояния покоя проекции векторов скорости и перемещения рассчитываются по формулам v_x = a_xt,

если начальная скорость не равна нулю, то

и т. д. Только вместо а_x, обозначающего проекцию произвольного ускорения, ставят gx, подчёркивая тем самым, что любое свободно падающее тело движется с ускорением свободного падения. Поэтому формулы выглядят так:

При движении тела вниз векторы ускорения свободного падения, скорости и перемещения направлены в одну и ту же сторону, поэтому их проекции имеют одинаковые знаки.

Вывод о том, что все тела, независимо от их масс, форм и размеров, совершают свободное падение совершенно одинаково, на первый взгляд может показаться противоречащим нашему повседневному опыту. Мы видим, что тяжёлые тела достигают земли быстрее, чем лёгкие, падающие с той же высоты.

На самом деле никакого противоречия здесь нет. Просто обычно мы наблюдаем падение тел в воздухе, который действует на падающее тело с некоторой силой, оказывая сопротивление движению.

Если рассматривать, например, падение в воздухе маленького тяжёлого шарика (рис. 30, а), то силой сопротивления воздуха можно пренебречь по сравнению с действующей на шарик силой тяжести и с некоторым приближением считать, что шарик свободно падает. Из рисунка видно, что равнодействующая (F_в) сил тяжести и сопротивления воздуха, придающая шарику ускорение, мало отличается от силы тяжести (F_{тяж. в}), поэтому шарик движется с ускорением, близким к g.

Рис. В воздухе падение шарика допустимо считать свободным, а кусочка ваты — нет

Но падение в воздухе кусочка ваты (рис. 30, б) никак нельзя считать свободным, так как в этом случае сила сопротивления составляет значительную часть от силы тяжести и равнодействующая сила (F_в) значительно меньше силы тяжести (F_{тяж. в}). Поэтому кусочек ваты падает в воздухе с гораздо меньшим ускорением, чем при свободном падении.

К выводу о том, что ускорение свободного падения не зависит от массы тела, первым пришёл Галилей в конце XVI в. Одновременно роняя с башни тяжёлые шары и наблюдая за их падением, он обнаружил, что шары, имея разные массы, достигали земли почти одновременно.

Роняя шары разных масс с Пизанской башни, Галилей доказал независимость ускорения свободного падения от массы падающего тела

Зная, с каким ускорением движется любое тело под действием силы тяжести, согласно второму закону Ньютона, можно записать формулу для нахождения модуля вектора силы тяжести, действующей на тело произвольной массы m:

F_тяж = 9.8 м/с² • m.

Сравнивая эту формулу с той, которая была дана в курсе физики 7 класса:

F_тяж = 9.8 Н/кг • m,

можно заметить, что они отличаются только единицами при коэффициенте 9,8. Покажем, что Н/кг можно преобразовать в м/с².

В § 11 было показано, что 1 Н = 1 кг • м/с².

Следовательно,

т. е. 9,8 Н/кг = 9,8 м/с².

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ ВО ВРЕМЯ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Что общего в падениях тел на Землю, обертонных Луны вокруг Земли, приливах и водоливах?

2. Почему до Ньютона никто не смог объяснить природу движения планет?

3. Как двигались небесные тела, если бы они не притягивались друг к другу?

4. Как зависит сила притяжения двух тел от их масс и от расстояния между ними?

5. Чем объясняется наличие и периодичность морских приливов и отливов на Земле?

6. Что притягивает к себе с большей силой: Земля - Луна или Луна - Землю?

7. На основании, какого закона можно утверждать, что сила тяготения пропорциональна массе тела?

8. Как зависит ускорение свободного падения от высоты над поверхностью Земли?

9. С каким ускорением движется тело, брошенное горизонтально?

10. Зависит время полета тела, брошенного горизонтально, от значения величины начальной скорости?

11. Можно ли движение тела, брошенного под углом к горизонту, считать равноускоренным?

12. Что общего в движении тел, брошенных вертикально вверх и под углом к горизонту?

13. При каких условиях вес тела равен по модулю силе тяжести, действующей на это тело?

14. Имеет вес гиря, висящая на нитке? Чему будет равен вес, если нить перерезать?

15. Есть ли вес у дерева, что растет во дворе?

16. Камень бросили вертикально вверх. В какие моменты полета он находится в состоянии невесомости, если можно пренебречь сопротивлением воздуха? Изменится ли ответ, если бросить камень под углом к горизонту?

17. Почему необходимо учитывать перегрузки?

18. Что общего в падении тел на Землю, вращении Луны вокруг Земли, приливах и водоливах?

19. Когда возникает сила упругости?

20. Почему возникает сила упругости и как она направлена?

21. Что характеризует механическое напряжение?

22. От чего зависит коэффициент жесткости?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Тренируемся решать задачи

1. Два корабля массой по 50 000 т стоят на рейде на расстоянии 1 км друг от друга. Вычислите силу притяжения между ними.

2. Два одинаковых шарика находятся на расстоянии 0,1 м друг от друга и притягиваются с силой 6,67·10-15 Н. Какой есть масса каждого шарика?

3. Космический корабль массой 8 т приблизился к орбитальной космической станции массой 20 т на расстояние 500 м. Вычислите силу их взаимного притяжения.

4. Массы Земли и планеты Плутон почти одинаковы, а расстояния их до Солнца соотносятся примерно, как 1:40. Вычислите соотношение их сил притяжения к Солнцу.

5. Вычислите массу Земли, если известно, что ее радиус равен 6400 км.

6. Вычислите ускорение свободного падения на высоте, равной радиусу Земли.

7. С какой скоростью надо бросить тело горизонтально с некоторой высоты, чтобы дальность полета была равна высоте, с которой брошено тело?

8. Камень, брошенный горизонтально с крыши дома со скоростью 15 м/с, упал на землю под углом 60° к горизонту. Какой есть высота дома?

9. Камень, брошенный под углом 30° к горизонту, дважды побывал на одной высоте: за 3 с и 5 с после начала движения. Вычислите начальную скорость бросания и максимальную высоту подъема.

10. В лифте установили динамометр, на котором подвесили тело массой 1 кг. Что покажет динамометр, если:

а) лифт движется равномерно;

б) лифт поднимается вверх с ускорением 5 м/с2;

в) лифт опускается вниз с ускорением 5 м/с2?

11. С вертолета, зависшего на определенной высоте над поверхностью Земли, опускают стальной трос. Какой может быть длина троса, чтобы он не оборвался под собственным весом? Максимальное механическое напряжение, которое может выдержать сталь, составляет 320 МПа.

Решение

Из условия задачи следует, что сила тяжести, которая действует на трос, равна силе упругости:

Fт = Fпр.

Вычислим силу притяжения с учетом того, что m = ρV и V = Sl:

Для вычисления силы упругости воспользуемся определением механического напряжения: откуда получаем:

Следовательно,

Окончательно получаем:

Проверяем единицы величин:

Подставляя числовые величины, получаем, что длина троса равна 4 100 м.

(Ответ: 4,1 км).

2). Контрольные вопросы

1. Почему мы не замечаем притяжения окружающих тел друг к другу, хотя притяжение этих тел к Земле наблюдать легко?

2. Где с большей силой будет притягиваться к Земле тело: на ее поверхности или на дне колодца?

3. Планеты движутся по своим орбитам вокруг Солнца. Куда направлена сила тяжести, действующая на планеты со стороны Солнца? Куда направлено ускорение планеты в любой точке на орбите? Как направлена скорость?

4. Почему пуговица, оторвавшись от пальто, падает на землю, ведь он находится значительно ближе к человеку и притягивается к ней?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Гравитационное взаимодействие - это взаимодействие, свойственное всем телам во Вселенной. Она проявляется в их взаимном притяжении друг к другу.

Закон всемирного тяготения: две материальные точки массами m1 и m2, находящихся на расстоянии? друг от друга, притягиваются с силой

Гравитационная постоянная численно равна силе, с которой притягиваются две материальные точки единичной массы (по 1 кг), пере бывают на единичном расстоянии (1 м) друг от друга:

Силу, с которой Земля притягивает любое тело, называют силой тяжести.

Сила тяжести, действующая на тело, пропорциональна массе этого тела.

Точку приложения силы тяжести, действующей на тело, за любые его положения в пространстве называют центром тяжести.

Ускорение свободного падения равна:

Если на тело действует только сила тяжести, то уравнение зависимости скорости тела от времени имеет вид:

Тело, брошенное горизонтально, движется по параболе, вершина которой находится в начальной точке движения.

Время полета и дальность полета тела, брошенного горизонтально, вычисляются по формулам:

Во время движения тела, брошенного под углом к горизонту:

а) высота подъема тела -

б) дальность полета тела -

в) максимальная дальность полета достигается, если угол = 45°.

Весом тела называют силу, с которой тело вследствие его притяжения к Земле) давит на опору или растягивает подвес.

Если ускорение тела направлено вверх, то вес тела больше силы тяжести:

Если ускорение тела направлено вниз, то вес тела меньше силы тяжести:

Состояние, при котором вес тела равен нулю, называется состоянием невесомости.

Сила упругости - это сила, возникающая в результате деформации тела и направленная противоположно направлению смещения частиц в процессе деформации.

Механическое напряжение σ - это физическая величина, которая характеризует деформированное тело и равен отношению модуля силы упругости Fnp к площади поперечного сечения тела S:

В случае небольших упругих деформациях механическое напряжение пропорционально относительному удлинению:

Модуль Юнга - это физическая величина, которая характеризует сопротивляемость материала упругой деформации растяжения или сжатия.

Коэффициент жесткости зависит от упругих свойств материала, из которого изготовлено тело, и его геометрических размеров.

Домашнее задание

1. П.: § 29 – 35.

2. Упр.7 № 1,3

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема. Сила трения. Условия равновесия тел.

Цель урока: ознакомить студентов с условиями равновесия тел; дать студентам представление о понятии силы трения покоя и скольжения; ознакомить с природой этой силы. Познакомить их с движением тела под действием силы трения.

Задачи урока:

Демонстрации: -

Межпредметные связи: биология, математика, химия.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, экран, презентация Power Point, анимация из интернета.

ТСО: Электронный репетитор “Символ – Тест”

Раздаточный материал: карточки с заданиями, контрольные листы.

Педагогическая технология: рефлексивно-критическая, коммуникативная.

Тип урока: комбинированный урок. Изучение нового материала, с использованием элементов беседы.

Вид урока: беседа с элементами дискуссии, практикум

Метод: проблемный, поисковый, рефлексия.

Литература для учащихся:

4) Рымкевич А. П. «Сборник задач по физике».10 – е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2006

Информационные ресурсы:

www.booksgid.com (Воокs Gid. Электронная библиотека).
www.globalteka.ru (Глобалтека. Глобальная библиотека научных ресурсов).
http://www.physics.ru Открытый колледж: Физика

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	25 мин.	1. Перечислите основные этапы развития космоса. 2. Расскажите о вкладе украинских ученых в развитие космоса. 3. Сила тяжести и центр тяжести. 4. Ускорение свободного падения. 5. Движение тела по вертикали. 6. Движение тела, брошенного горизонтально. 7. Движение тела, брошенного под углом к горизонту 8. Вес тела. Богатела, что движется с ускорением. 9. Невесомость. 9. Перегрузки. 10. Природа силы упругости. 11. Механическое напряжение. 12. Закон Гука.
Демонстрации	15 мин.	1. Сила трения покоя. 2. Сила трения скольжения.
Изучение нового материала	35 мин.	1. Движение тела под действием силы тяжести. 2. Статика.
Закрепление изученного материала	15 мин.	Контрольные вопросы.

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Движение тела под действием силы тяжести

Движение тела под действием силы тяжести является равноускоренным и в общем случае криволинейным. Если тело брошено под углом к горизонту, оно движется по параболе. Горизонтально брошенное тело движется по ветви параболы. И лишь в том случае, когда тело брошено вертикально, оно движется по прямой (см. решение задачи 1).

Обратите внимание: все сказанное верно для материальных точек, движущихся вблизи поверхности Земли, без учета сопротивления воздуха.

Силы, действующие между поверхностями соприкасающихся твердых тел, называются силами сухого трения. Они всегда направлены по касательной к соприкасающимся поверхностям.

Сила трения покоя – величина непостоянная, она растет по модулю вместе с внешней силой от нуля до некоторого максимального значения F_тр max. Сила трения покоя равна по модулю и противоположна по направлению проекции внешней силы, направленной параллельно поверхности соприкосновения его с другим телом.

Если внешняя сила больше F_тр max, то возникает движение. Силу трения в этом случае называют силой трения скольжения. Экспериментально доказано, что сила трения скольжения пропорциональна реакции опоры:

F_тр max = μN.

Коэффициент трения μ зависит от материалов, из которых изготовлены соприкасающиеся тела, и не зависит от размеров соприкасающихся поверхностей.

Сила трения скольжения всегда направлена против относительного движения тела.

При движении в жидкости или газе возникает сила вязкого трения. При вязком трении нет трения покоя. Сила вязкого трения значительно меньше силы сухого трения и также направлена в сторону, противоположную относительной скорости тела. Зависимость от модуля скорости может быть линейной F = –βυ или квадратичной F = –αυ².

2. Статика

Для того, чтобы материальная точка находилась в равновесии, то есть в состоянии покоя относительно других тел, неподвижных в рассматриваемой системе отсчета, необходимо, чтобы равнодействующая всех сил, приложенных к ней, равнялась нулю:

Если тело может вращаться относительно некоторой оси, то для его равновесия недостаточно равенства нулю равнодействующей всех сил. Должна быть равна нулю сумма моментов всех сил относительно этой оси:

Момент силы – это произведение модуля силы на плечо d:

M = F · d.

Плечо – это длина перпендикуляра, проведенного к оси вращения от линии действия силы.

Рис. 1. К определению момента силы

Оба приведенных условия являются недостаточными для того, чтобы тело находилось в покое. Даже при их соблюдении тело может равномерно вращаться или двигаться поступательно с постоянной скоростью.

В механике различают три вида равновесия. При устойчивом равновесии малые отклонения тела от этого состояния вызывают силы или моменты сил, стремящиеся возвратить тело в равновесное состояние. При неустойчивом равновесии силы или моменты сил удаляют тело от положения равновесия. Наконец, если тело находится в безразличном состоянии равновесия, то при отклонении тела от состояния равновесия сил (или моментов сил) не возникает.

Для системы из многих частиц радиус-вектор центра масс определяется выражением:

Для сплошного тела суммы в выражении для заменяются интегралами. Легко видеть, что в однородном поле тяготения центр масс совпадает с центром тяжести. Поэтому положение центра масс тела сложной формы можно практически определить путем последовательного подвешивания его за несколько точек и отмечая по отвесу вертикальные линии (рис. 2).

Рис. 2. Определение положения центра масс C тела сложной формы. A₁, A₂, A₃ точки подвеса.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ ВО ВРЕМЯ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Когда возникает сила трения?

2. Почему возникает сила трения и как она направлена?

3. Что характеризует механическое напряжение?

4. От чего зависит коэффициент жесткости?

5. Что называют силой трения покоя?

6. Что называют силой трения скольжения?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Тренируемся решать задачи

1. Чтобы растянуть пружину на 2 см, нужно приложить силу в 10 Н. Какую силу нужно приложить, чтобы растянуть пружину на 6 см? на 10 см?

2. Вычислите массу груза, висящего на пружине жесткостью 100 Н/м, если удлинение пружины равно 1 см?

3. Вследствие сжатия буферной пружины на 3 см возникает сила упругости 6 кН. На сколько вырастет эта сила, если сжать пружину еще на 2 см?

2). Контрольные вопросы

1. От чего зависит силы трения покоя и скольжения?

2. Очертите границы применимости закона Гука.

3. Что характеризует равновесия тел?

4. Виды равновесии.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

F_тр max = μN.

В механике различают три вида равновесия: устойчивое, неустойчивое и безразличное.

Домашнее задание

1. П.: § 36 – 38,52 – 54.

2. Упр. 7 № 2,4.

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема. Элементы гидростатики. Закон сохранения импульса.

Цель урока: ознакомить студентов с понятиями «импульс тела» и «импульс силы»; ознакомить с законом сохранения импульса

Тип урока: изучение нового материала

ПЛАН УРОКА

Демонстрации

5 мин.

1. Взаимодействие двух шаров; двух тележек.

2.Демонстрация сохранения импульса в процессе взаимодействия тел

Изучение нового материала

30 мин.

1. Давление, закон Паскаля и Архимедова сила.

2. Импульс тела и импульс силы.

3. Закон сохранения импульса

Закрепление изученного материала

10 мин.

1. Тренируемся решать задачи.

2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Давление, закон Паскаля и Архимедова сила.

На тело, погруженное в жидкость или газ, действуют силы, распределенные по поверхности тела. Давление – это физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности:

В СИ давление измеряется в паскалях (Па). Часто используются внесистемные единицы давления:

1 атм = 101325 Па = 760 мм. рт. ст.

Атмосферное давление обусловлено весом воздушного столба. Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760 мм при температуре 0 ºC, называется нормальным атмосферным давлением и обозначается p₀.

Закон Паскаля. Внешнее давление, оказываемое на жидкость или газ, передается во всех направлениях одинаково и не зависит от ориентации площадки, на которую оно действует.

Давление, обусловленное весом жидкости, (гидростатическое давление) зависит от глубины:

p = ρ_жgh.

Рис. 1. Гидростатическое давление

Закон сообщающихся сосудов. Если в открытые сообщающиеся сосуды налита одна и та же жидкость, ее уровень во всех сосудах будет одинаков.

Из-за разности давлений в жидкости на разных уровнях возникает выталкивающая (архимедова) сила:

F = ρ_жgV.

Здесь ρ_ж – плотность жидкости, V – объем погруженной части тела. Другими словами, в жидкости тело теряет в весе столько, сколько весит вытесненная им жидкость. Из закона Архимеда следует, что тело будет выталкиваться из жидкости на ее поверхность, только если его плотность ρ < ρ_ж.

При движении идеальной жидкости не происходит потерь механической энергии на трение. В связи с этим для стационарного потока жидкости вдоль линий тока (т. е. траекторий, по которым перемещаются частицы жидкости) справедлив закон Бернулли:

Здесь υ – скорость жидкости, h – высота по отношению к некоторому уровню, p – давление, ρ_ж – плотность жидкости.

Рис. 2. Закон Бернулли. В точках 1 и 2 давления и скорости частиц жидкости различны

Следствием закона Бернулли является формула Торричелли, определяющая скорость истечения жидкости υ из отверстия в сосуде:

Здесь h – перепад высоты вдоль линии тока.

2. Импульс тела и импульс силы

Пусть два шарика массой m1 и m2 движутся со скоростями 0 и 0. В определенный момент времени они вступают во взаимодействие, что продолжается Δt. При этом механическое движение передается от одного шара к другому. В результате взаимодействия скорости шаров становятся равными 1 и 1. Согласно третьего закона Ньютона, Следовательно,

Ускорения, полученные шарами в результате взаимодействия, будут одинаковыми:

Подставляя значения ускорения в предыдущее равенство, получаем:

или

Отсюда получаем:

Из последнего равенства видно, что изменение скорости тел, которые взаимодействуют, будет разной, но изменение величины произведения под будет одинаковой в обоих тел, которые взаимодействуют.

Величина m получила название импульса тела. Она является мерой механического движения. Во время взаимодействия происходит передача импульса от одного тела к другому:

Импульс тела - это векторная величина, равная произведению массы тела на его скорость и совпадает по направлению с направлением скорости.

Единицей измерения импульса в СИ является кг·м/с.

Под действием силы тело изменяет свою скорость, следовательно, изменяется и импульс тела:

Поскольку С учетом того, что получаем:

Произведение силы на время действия называют импульсом силы.

Единица измерения импульса силы в СИ - Н · с.

Второй закон Ньютона можно записать в виде:

Изменение импульса тела равно импульсу силы, действующей на тело.

Если импульс тела изменяется за очень короткий интервал времени, то возникают большие силы (удар, толчок, столкновение). Чтобы избежать слишком больших сил, необходимо увеличивать время действия силы.

3. Закон сохранения импульса

Рассмотрим систему тел, которые взаимодействуют только друг с другом и не взаимодействуют с другими телами. Такую систему тел называют замкнутой.

Систему тел, взаимодействующих, можно примерно считать замкнутой и тогда, когда действия других тел компенсируют друг друга, или настолько малы, что ими можно пренебречь.

Перепишем ранее полученное равенство в виде

Этот вывод можно обобщить и использовать для исследований случае взаимодействия нескольких тел, важно лишь, чтобы система этих тел была замкнутой.

Закон сохранения импульса:

Суммарный импульс замкнутой системы тел остается неизменным при любой взаимодействия тел системы между собой:

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ ВО ВРЕМЯ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Какая величина сохраняется в процессе взаимодействия двух тел?

2. При каком условии импульс тела не изменяется?

3. Как изменяется импульс тела, когда на него действует сила?

4. Почему во время удара возникают большие силы?

5. Или на одинаковое расстояние можно бросить камень вперед:

а) стоя на земле;

б) стоя в коньках на льду?

6. Может ли человек, стоящий на идеально гладком горизонтальном ледяном площадке, сдвинуть с места, не опираясь острыми предметами в лед?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Выполнение тренировочных упражнений (задачи)

1. Какое из тел имеет больший импульс: автобус массой 8 т, движущийся со скоростью 18 км/ч., или снаряд массой 6 кг, который летит со скоростью 500 м/с?

2. Стальной шар движется со скоростью 2 м/с, а алюминиевый шар с таким же радиусом - со скоростью 6 м/с. Какая из шаров имеет больший импульс?

3. Из пушки массой 200 кг стреляют в горизонтальном направлении ядром массой 1 кг. Чему равна скорость отдачи пушки после выстрела, если ядро вылетело со скоростью 400 м/с?

4. Чтобы сойти на берег, лодочник направился от кормы лодки к ее носовой части. Почему при этом лодка отошел от берега?

2). Контрольные вопросы

1. Как связано изменение импульса тела с импульсом силы, действующей на это тело?

2. Почему в случае удара возникают большие силы?

3. Парашютист равномерно опускается на парашюте. Меняется ли при этом импульс парашютиста?

4. Подвешенный на нити шарик раскачивается. В каких точках траектории импульс шарика равна нулю?

5. Могут ли осколки гранаты, которая взорвалась, лететь в одном направлении, если до взрыва граната находилась в состоянии покоя? А если она двигалась?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Давление – это физическая величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности:

Произведение массы тела на его скорость называют импульсом тела:

Произведение силы на промежуток времени, в течение которого действует сила Δt, называют импульсом силы.

Изменение импульса тела равно импульсу силы, действующей на это тело:

Закон сохранения импульса: суммарный импульс замкнутой системы тел остается неизменным при любом взаимодействии тел системы между собой:

Домашнее задание

1. П.: § 39 – 42.

2. Упр. 8 № 2,3,5

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема 1.6. Закон сохранения энергии.

Цель урока: раскрыть физический смысл понятия работы; раскрыть сущность закона сохранения энергии в механических процессах.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	мин.	Импульс. Закон сохранения импульса
Демонстрации	15 мин.	1.Вычисление работы в результате перемещения бруска горизонтальной поверхностью. 2. Вычисление работы во время подъема грузов на разную высоту
Изучение нового материала	40 мин.	1. Что такое механическая работа? Работа различных сил. 2. Что такое мощность? Мгновенная мощность. 3. Кинетическая и потенциальная энергия. 4. Закон сохранения механической энергии
Закрепление изученного материала	20 мин.	1. Тренируемся решать задачи. 2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Что такое механическая работа? Работа различных сил.

Мы очень часто используем понятие «работа» в повседневной жизни. Работой называют и подъем ведра из колодца, и доставку продуктов из магазина, и решение сложной задачи. Вспомним, что общепринятое понятие «работа» отличается от понятия «механическая работа». Например, в процессе поднятия груза на высоту h понятия механической и биологической» работы совпадают.

Если мы просто держим в руках определенный груз и не передвигаемся, то мы выполняем определенную биологическую работу при сокращении мышц. С механической точки зрения, никакой работы здесь не происходит, потому что отсутствует перемещение.

Об механическую работу говорят тогда, когда тело меняет свое положение в пространстве под действием силы.

По определению механической работы мы уже знакомы из курса физики 8 класса: если на тело действует постоянная сила , направленная вдоль перемещения s тела, то работа этой силы А = F · s.

Если сила направлена под углом, а к перемещению тела, то работа А = F · s · cos.

Работа силы равна произведению модуля силы на модуль перемещения и на косинус угла между направлением силы и направлением перемещения.

Единицей измерения работы в СИ является джоуль (Дж):

Один джоуль - это работа, которую выполняет сила в 1 Н в процессе перемещения тела на 1 м в направлении действия силы:

1 Дж = 1 Н · 1 м.

Из формулы для работы следует, что работа может быть положительной, равняться нулю и быть отрицательной, в зависимости от того, какой угол составляет направление силы с направлением перемещения:

А > 0,если 90°;

А = 0, если = 90°;

А 0, если > 90°.

Работа силы тяжести

Вычислим работу внутренних сил системы, состоящей из Земли и поднятого над поверхностью Земли тела.

Если тело падает с определенной высоты, направление силы тяжести совпадает с направлением перемещения. При этом во время движения тела вниз работа силы тяжести положительна. Если тело массой m падает с высоты h, то работа силы тяжести равна:

A = mgh.

Во время движения тела вверх сила тяжести уже направлена противоположно перемещению, поэтому в этом случае работа силы тяжести отрицательна. Следовательно, в случае подъема тела массой m на высоту h работа силы тяжести равна:

A = -mgh.

Работа силы упругости

В случае уменьшения деформации пружины сила упругости, действующая со стороны пружины, направленная так же, как перемещение, поэтому работа силы упругости положительная.

Из закона Гука следует, что в случае уменьшения деформации пружины до нуля, модуль силы упругости уменьшается от kx к нулю, поэтому среднее значение силы упругости равна:

При этом работа силы упругости определяется, как

В случае увеличения деформации пружины сила упругости, действующая на тело со стороны пружины, направлена противоположно деформации.

В этом случае работа силы упругости отрицательна.

Работа силы трения скольжения

Сила трения скольжения всегда направлена противоположно направлению скорости, а, следовательно, и перемещению тела, поэтому работа силы трения скольжения всегда негативная.

2. Что такое мощность? Мгновенная мощность

Для многих технических задач важными являются не только выполняемая работа, но и скорость выполнения работы. Скорость совершения работы характеризуют физической величиной, которую называют мощностью.

Мощность - это физическая величина, численно равная отношению работы к промежутку времени, за который она выполнена:

Единица мощности в СИ - ватт (Вт):

1 Вт - это такая мощность, которая позволяет работе в 1 Дж выполняться за 1 с:

Это, сравнительно, небольшая единица. В технике используются киловатт (1 000 Вт), а иногда и мегаватт (106 Вт).

Подобно введение мгновенной скорости в кинематике, динамике используют понятие «мгновенной мощности».

Во время перемещения Δ проекция силы выполняет работу A = FXΔх.

Мгновенная мощность - это скалярная физическая величина, равная отношению работы, выполненной за бесконечно малый промежуток времени, к величине этого промежутка:

Поскольку скорость то окончательно получаем:

Следовательно,

Мгновенная скорость равна произведению проекции силы, действующей на тело, и скорости в направлении его перемещения.

Таким образом, чем больше скорость автомобиля, тем меньше сила тяги нужна для ее поддержания (при постоянной мощности двигателя):

Необходимая сила тяги обратно пропорциональна скорости автомобиля. С увеличением скорости водитель может переходить на повышенные передачи. При этом вращение колес будет происходить с большей скоростью, но с меньшим усилием.

Обычно быстроходные автомобили и поезда нуждаются двигателей большой мощности. Однако на самом деле во многих случаях сила сопротивления не постоянна, а возрастает с увеличением скорости. Если, например, нужно увеличить скорость самолета вдвое, то мощность его двигателей нужно увеличить в восемь раз. Вот почему так трудно дается каждый новый успех в увеличении скорости самолетов, кораблей и других транспортных средств.

Работой постоянной силой F, называется скалярное произведение векторов силы и перемещения:

где α – угол между векторами силы и перемещения. Единицей работы в системе СИ является джоуль (Дж).

Рис. 1. Работа силы F

Если к телу приложено несколько сил, то общая работа равна алгебраической сумме работ, совершаемых отдельными силами, и при поступательном движении тела равна работе равнодействующей силы.

Рис. 2. Работу переменной силы можно найти как площадь под графиком зависимости силы от координаты

Мощность N – это отношение работы A к промежутку времени t, в течение которого она совершается:

В системе СИ единица мощности называется ватт (Вт).

3. Кинетическая и потенциальная энергия.

Вид энергии, определяющейся взаимным расположением тел, называется потенциальной энергией. Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями тела. Такие силы называются консервативными, к ним относятся, например, сила тяжести и сила Кулона.

Рис. 3. Работа консервативных сил по замкнутой траектории равна нулю

Потенциальная энергия определяется с точностью до константы. Физический смысл имеет изменение потенциальной энергии.

Теорема о потенциальной энергии. Работа, совершаемая консервативными силами, равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:

A = –(E_p2 – E_p1).

Потенциальная энергия тела в поле тяжести равна:

E_p = mgh.

Потенциальная энергия деформированной пружины равна:

Е_р= $\frac{К Х^{2}}{2}$

Кинетическая энергия – это энергия, которой обладают тела вследствие своего движения:

Теорема о кинетической энергии. Работа равнодействующей всех сил, приложенных к телу, равна изменению его кинетической энергии:

A = E_k2 – E_k1.

4. Закон сохранения механической энергии

Закон сохранения механической энергии выполняется в любой замкнутой системе, в которой между телами действуют только консервативные силы: в замкнутой системе сумма кинетической и потенциальной энергии тел остается неизменной:

Если же в системе имеются диссипативные силы, то часть механической энергии переходит в тепло:

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ ВО ВРЕМЯ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. В каких случаях работа положительна? отрицательная? равна нулю?

2. По морю плывет корабль. Выполняет при этом работу сила тяжести?

3. Выполняет ли работу сила тяжести, действующая на спутник, который движется вокруг Земли по круговой орбите?

4. Положительную или отрицательную работу выполняет сила тяжести, когда тело скользит вниз по наклонной плоскости?

5. Какую работу - положительную или отрицательную - мы выполняем, растягивая пружину? Какую работу выполняет сила упругости?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Тренируемся решать задачи

1. Лифт массой 300 кг поднимается на 30 м, а затем возвращается обратно. Какую работу выполняет сила тяжести, действующая на лифт во время движения вверх? во время движения вниз? на протяжении всего пути?

2. Человек идет по берегу и тянет против течения на веревке лодку, прикладывая силу 200 Н. Угол между веревкой и берегом составляет 30°. Какую работу выполняет человек, перемещая лодку на 5 м?

3. Под действием силы 5 Н пружина, растянулась на 2 см. Какую работу выполнила внешняя сила вследствие растяжения этой пружины на 5 см?

4. На сколько процентов следует увеличить мощность двигателя пассажирского самолета, скорость полета возросла на 20 %? Считайте, что сила сопротивления воздуха пропорциональна квадрату скорости полета.

Решение

Во время равномерного движения сила F тяги двигателя равна силе сопротивления воздуха. Из соотношения Г = F следует, что мощность Р пропорциональна третьей степени скорости. Следовательно, для увеличения скорости в 1,2 раза мощность двигателя нужно увеличить в (1,2)3 раз. (Ответ: на 73 %).

5. Камень бросили вертикально вверх со скоростью 10 м/с. На какой высоте кинетическая энергия камня будет одинаковой с его потенциальной энергией?

6. Тело, находящееся в состоянии покоя, падает с высоты 20 м. На какой высоте скорость его движения будет равна 10 м/с? С какой скоростью тело упадет на землю?

7. Тело бросили со скоростью 15 м/с под углом к горизонту. Вычислите его скорость на высоте 10 м.

8. Футбольный мяч после удара, поднялся на высоту 15 м. Чему была равна его скорость на этой высоте, если начальная скорость мяча составила 20 м/с? Сопротивлением воздуха можно пренебречь.

2). Контрольные вопросы

1. Тело бросили вертикально. Которым есть знак работы силы тяжести:

а) во время подъема тела;

б) во время его падения?

2. Положительную или отрицательную работу выполняет сила трения, действующая на санки, когда их тянут по склону горы? когда съезжают с горы?

3. Зависит ли значение работы силы тяжести от длины пройденного телом пути? от массы тела?

4. Какую работу - положительную или отрицательную - выполняет сила упругости при сжатии пружины, при возвращении пружины в недеформированное состояние?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Работа силы равна произведению модуля силы на модуль перемещения и на косинус угла между направлением силы и направлением перемещения:

A = Fs cos.

Один джоуль - это работа, которую выполняет сила в 1 Н при перемещении тела на 1 м в направлении действия силы:

1 Дж = 1 Н · 1 м.

Работа силы тяжести:

A = mgh.

Работа силы упругости:

Работа силы трения скольжения всегда негативная.

1 Вт - это такая мощность, при которой работа в 1 Дж производится за 1 с:

Мгновенная скорость равна произведению проекции силы, действующей на тело, и скорости в направлении его перемещения:

Способность тела выполнять работу вследствие изменения своего состояния характеризуют физической величиной, которая называется энергией.

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической энергией

Теорема о кинетической энергии: работа силы равна изменению кинетической энергии тела.

Физическую величину, которая характеризует способность системы взаимодействующих тел (частей тела) выполнять работу вследствие изменения их взаимного положения, называют потенциальной энергией.

Потенциальная энергия поднятого груза:

Потенциальную энергию можно определить только для сил, работа которых пол время движения по замкнутой траектории равна нулю.

Потенциальная энергия деформированной пружины:

Сумму потенциальной и кинетической энергий тела называют его полной механической энергией:

Если между телами системы действуют только силы тяготения и силы упругости, механическая энергия замкнутой системы тел сохраняется:

Домашнее задание

1. П.: § 43 – 51.

2. Подготовить реферат на тему: «Уменьшение механической энергии системы под действием сил трения».

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема. Решение задач.

Цель урока: расширить представления студентов о сферах использования законов сохранения энергии и импульса; научить их применять свои знания в соответствующих задач.

Тип урока: практическое занятие (закрепление знаний).

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ УРОКА

На этом уроке необходимо научить студентов решать задачи с использованием законов сохранения энергии и импульса.

Структуральным принципу всего курса механики колледжа является решение основной задачи механики, потому что именно эта задача определяет содержание и структуру всей совокупности необходимых понятий. Динамический способ решения основной задачи механики требует знания сил, действующих на тело в любой момент времени. Во время реальных взаимодействий значения этих сил известны отнюдь не всегда. В таких случаях применяется энергетический способ решения. Кроме того, энергетический способ часто дает более рациональное решение и в тех случаях, когда можно применить динамический способ решения основной задачи механики. Ряд задач можно решить только в результате применения обоих законов сохранения (импульса и энергии).

ЗАДАЧИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ НА УРОКЕ

1. В брусок, висящий на шнуре длиной l = 2 м, попала пуля, которая летит горизонтально. Пуля застряла в бруске. С какой скоростью 0 летела пуля, если шнур отклонился от вертикали на угол = 15°? Масса бруска М = 2 кг, масса пули m = 8 г.

Решение

Процесс можно разделить на два этапа. Первый этап - столкновение пули с бруском. При этом брусок достает скорость u, но практически не успевает сдвинуться с места. Механическая энергия не сохраняется, но сохраняется импульс:

На втором этапе процесса брусок с застрявшей в нем пулей отклоняется на угол , поднимаясь при этом (см. рис.) на высоту h= l(1 - cos). На этом этапе механическая энергия сохраняется:

Отсюда:

Проверка единиц величин:

Выполняем вычисления:

2. Два мальчика, стоящие рядом на одинаковых легких колясках, отталкиваются друг от друга. В результате первый тележка проезжает до остановки 1,5 м, а второй - 4,5 м. Масса которого мальчика больше и во сколько раз?

Решение

Из закона сохранения импульса следует, что после толчка мальчики достают одинаковые по модулю импульсы m11 = m22.

Согласно теореме о кинетической энергии, работа силы трения равна изменению кинетической энергии тележки:

Пройденный до окончательной остановки путь

Следовательно,

Таким образом, масса первого мальчика больше в 1,7 раза.

3. Для автоматического пере заряжания пушки используют энергию отдачи: водкочувальной части пушки должны переместиться после выстрела на х = 50 см, сжимая пружину жесткостью k = 40 кН/м. Чему равна начальная скорость c снаряда массой mс = 2,5 кг, если масса відкочувальних частей пушки m2 = 150 кг? Смотрите ствол горизонтальным.

Решение

Процесс состоит из двух этапов: первый этап - быстрое сгорание пороха, в результате чего и снаряд, и водкочувальной части получают одинаковые по модулю импульсы (скорость відкочувальних частей второй этап - переход кинетической энергии відкочувальних частей в потенциальную энергию упруго деформированной пружины Отсюда получаем:

Следовательно, начальная скорость снаряда - 490 м/с.

4. На сколько процентов увеличится скорость вылета пули из пружинного пистолета, подвешенного на нити, если к корпусу пистолета прикрепить груз, масса которого равна массе пистолета? Масса пули m = 25 г, масса пистолета - М = 150 г.

Решение

В обоих случаях полная энергия выстрела и сама:

где 1 - скорость пули во время выстрела без груза; 2 - скорость пули во время выстрела с дополнительным грузом; u1 и u2 - соответствующие скорости отдачи пистолета.

Согласно закону сохранения импульса,

Выразив u1 и u2 через 1 и 2, получаем:

Таким образом, скорость вылета шара увеличится на 3,8 %.

5. Снаряд, выпущенный вертикально вверх, разорвался в верхней точке траектории. Первый осколок массой 1 кг получил скорость 400 м/с, направленную горизонтально. Второй осколок массой 1,5 кг полетел вверх со скоростью 200 м/с. Чему равна скорость третьего осколка, если его масса - 2 кг?

Решение

Снаряд, который взорвался, можно считать замкнутой системой, потому что сила притяжения намного меньше силу давления пороховых газов, которые разрывают снаряд на осколки. Следовательно, можно использовать закон сохранения импульса. Поскольку разрыв снаряда произошел в верхней точке траектории, векторная сумма импульсов всех осколков должно равняться нулю. Таким образом, векторы импульсов осколков образуют треугольник; этот треугольник прямоугольный, а искомый вектор - его гипотенуза. Отсюда:

6. Оцените массу Солнца, считая расстояние между Солнцем и Землей равной 150 млн. км. Земля движется вокруг Солнца со скоростью 30 км/с.

Решение

Центростремительному ускорению Земли во время ее движения вокруг Солнца:

Это именно ускорение можно вычислить, используя второй закон Ньютона и закон всемирного тяготения:

Отсюда рассчитываем массу Солнца:

Проверим единицы величин:

Подставим числовые значения:

7. Масса некоторой планеты в три раза меньше массы Земли. Радиус этой планеты, если ускорение свободного падения на ее поверхности точно такое, как на Земле?

8. Радиус нейтронной звезды, масса которой равна массе Солнца, составляет несколько десятков километров. Вычислите ускорение свободного падения на расстоянии 10 000 км от центра такой зари.

9. Расстояние между центрами планеты и ее спутника равна 400 000 км. Масса спутника в 9 раз меньше массы планеты. В точке силы притяжения до этих небесных тел, действующих на космический корабль, компенсируют друг друга?

Домашнее задание

1. П.: §§ 1 – 54.

2. Д.: подготовиться к самостоятельной работе «Кинематика. Динамика. Силы в механике. Закон сохранения импульса и энергии»

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема. Самостоятельная работа.

Цель урока: систематизировать и обобщить знания студентов по разделу «Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны»

Тип урока: закрепление знаний

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ УРОКА

На этом уроке преподаватель должен обобщить изученный материал по разделу «Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны». Кроме того, необходимо подготовить студентов к тематическому оцениванию знаний. С этой целью студентам предлагается разобрать ряд тестовых задач.

ТРЕНИРОВОЧНЫЕ ТЕСТЫ

1. Спортсмен спускается на лодке по горной реке.

A. Кинетическая энергия спортсмена зависит только от его массы.

Б. Кинетическая энергия спортсмена зависит только от скорости движения.

B. Полная механическая энергия спортсмена во время спуска не меняется.

Г. На протяжении спуска потенциальная энергия спортсмена не меняется.

2. Девочка качается на качелях. Сопротивлением движению можно пренебречь.

A. Во время движения девочки вверх потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию.

Б. В верхней точке траектории кинетическая энергия девочки является максимальной.

B. В нижней точке траектории потенциальная энергия девочки является максимальной.

Г. Во время качания полная механическая энергия девочки не меняется.

3. На рисунке изображена копия известной картины Ильи Репина «Бурлаки на Волге».

А. Чем медленнее идут бурлаки, тем большую работу они выполняют.

Б. Потенциальная энергия баржи зависит от скорости, с которой идут бурлаки.

В. Если бродяги будут идти быстрее, кинетическая энергия баржи увеличится.

Г. Потенциальная энергия баржи не зависит от массы баржи.

4. Земля движется вокруг Солнца по траектории, близкой к окружности.

А. Сила притяжения Солнца выполняет положительную работу.

Б. Импульс Земли направлен к центру круга.

В. Кинетическая энергия Земли остается постоянной.

Г. Во время движения Земли вокруг Солнца кинетическая энергия Земли переходит в потенциальную энергию.

5. Два шара массами 2 и 3 кг движутся в горизонтальной плоскости под прямым углом друг к другу со скоростями, соответственно равны 6 и 4 м/с.

А. Кинетические энергии обоих шаров одинаковы.

Б. Импульс первой пули по модулю меньше импульс второго шара.

В. Модуль суммы импульсов шаров меньше 24 кг·м/с.

Г. Сумма кинетических энергий шаров меньше 50 Дж.

6. Одним из видов легкой атлетике являются прыжки с шестом.

А. Во время подъема спортсмена потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию.

Б. В точке наивысшего подъема спортсмен имеет минимальную потенциальную энергию.

В. В момент приземления спортсмена его кинетическая энергия является минимальной.

Г. Если не учитывать сопротивления движению, во время прыжка выполняется закон сохранения механической энергии.

ЗАДАНИЯ

Задание 1 (0,5 балла)

Автомобиль едет по склону вверх с постоянной по модулю скоростью.

А. Работа силы тяжести равна нулю.

Б. Импульс автомобиля не меняется.

В. Кинетическая энергия автомобиля уменьшается.

Г. Потенциальная энергия автомобиля не меняется.

Задача 2(1 балл)

Тело массой 1 кг равномерно движется по окружности со скоростью 10 м/с.

А. Импульс тела во время движения меняется по модулю.

Б. Кинетическая энергия тела при движении по окружности изменяется.

В. Импульс тела в каждой точке направлен вдоль радиуса к центру круга.

Г. Изменение импульса за половину периода больше 10 кг·м/с.

Задание 3 (1,5 балла)

Почему в случае действия на тело силы трения закон сохранения механической энергии нарушается? Обоснуйте свой ответ.

Задание 4 (2 балла)

Камень массой 0,4 кг бросили вертикально вверх со скоростью 20 м/с. Чему равны кинетическая и потенциальная энергии камня на высоте 15 м?

Задание 5 (3 балла)

Задача 5 имеет целью установить соответствие (логические пары). К каждой строке, обозначенного буквой, подберите утверждение, обозначенное цифрой.

Задание 6 (4 балла)

Пружинная ружье выстреливает шарик вертикально вверх на высоту 60 см, если пружина, сжата на 2 см. На какую, высоту поднимется шарик, если эту пружину сжать на 5 см?

A. «Золотое правило механики»		1. Отношение выполненной работы к промежутку времени, за который эту работу осуществлен
Б. Механическая работа		2. Изменение импульса тела равно импульсу силы, действующей на это тело
В. Механическая энергия		3. Во сколько раз мы выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем в перемещении
Г . Мощность		4. Способность тела выполнять работу вследствие изменения своего состояния
		5. Мера изменения энергии

Домашнее задание

Подготовиться к тематическому оцениванию по теме «Законы сохранения в механике».

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема. Самостоятельная работа.

Тип урока: закрепление знаний

Вариант – 1

Теоретическая часть.

Механическое движение, кинематика, скорость, ускорение, материальная точка, виды движении, плотность вещества.

Вес тела, невесомость, сила упругости, сила трения покоя и скольжения, виды равновесии, условия равновесия тел, закон Паскаля.

Импульс тела и импульс силы, статика, закон охранения энергии в механических процессах, потенциальная энергия упругодеформированного тела.

Механические волны, поперечные и продольные волны, скорость волны, звуковые волны, ультразвук и его использование, амплитуда колебаний

Практическая часть.

Два поезда массой по 50 000 т стоят на рельсах на расстоянии 1 км друг от друга. Вычислите силу притяжения между ними

Футбольный мяч после удара, поднялся на высоту 15 м. Чему была равна его скорость на этой высоте, если начальная скорость мяча составила 20 м/с? Сопротивлением воздуха можно пренебречь.

Вариант – 2.

Теоретическая часть.

Система отсчета, относительность движения, динамика, инерция, сила в механике, масса, три закона механике в Ньютона.
Центр массы тела, центр тяжести тела, давление, Архимедова сила, закон всемирного тяготения, гравитационная сила, сила тяжести, закон Гука.
Работа и мощность в механике, кинетическая и потенциальная энергия тела, замкнутая система, закон сохранения импульса, период и частота колебаний.
Механические колебания, свободные и вынужденные колебания, гармонические колебания, циклические колебания, собственная циклическая частота колебаний.

Практическая часть.

Чтобы растянуть пружину на 2 см, нужно приложить силу в 10 Н. Какую силу нужно приложить, чтобы растянуть пружину на 6 см? на 10 см?
Два одинаковых шарика находятся на расстоянии 0,1 м друг от друга и притягиваются с силой 6,67·10-15 Н. Какой есть масса каждого шарика?

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема. Свободные и вынужденные колебания.

Цель урока: ознакомить студентов с одним из самых распространенных движений в природе и технике - колебательным движением.

Тип урока: Комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Демонстрации

15 мин.

1. Примеры механических колебаний.

2. Свободные колебания

Изучение нового материала

45мин.

1. Что такое колебания?

2. Основные характеристики колебаний.

3. Свободные колебания.

4. Вынужденные колебания

Закрепление изученного материала

30 мин.

1. Качественные вопросы.

2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Что такое колебания?

Колебания - один из самых распространенных видов движения в природе и технике. Колеблются деревья в лесу, пшеница в поле, струны музыкальных инструментов, мембрана телефона. Колеблются плоскости и фюзеляж самолета, кузов автомобиля, поршни двигателя. Колебательные движения происходят и в жизни нашей планеты (землетрясения, приливы и отливы), и в астрономических явлениях. С колебаниями мы встречаемся и в живой природе: биение сердца, движение голосовых связок и др.

Колебаниями называются физические процессы, которые точно или приблизительно повторяются через одинаковые интервалы времени.

В зависимости от физической природы различают механические и электромагнитные колебания.

Механическими колебаниями называются такие движения тел, при которых через равные интервалы времени координаты движущегося тела, его скорость и ускорение приобретают исходных значений.

2. Основные характеристики колебаний

Обозначим через х смещение колеблющегося тела от положения равновесия. Во время колебаний эта величина периодически изменяется, при этом изменяется и знак х, потому что смещение от положения равновесия происходит то в одну, то в другую сторону.

Модуль наибольшего отклонения от положения равновесия называют амплитудой колебаний.

Обозначим амплитуду колебаний хmах.

Если колеблющийся груз за время t совершит N полных колебаний, то время одного полного колебания:

Промежуток времени, в течение которого происходит одно полное колебание, называют периодом колебаний.

В СИ [Т] = с.

Полное колебание происходит, например, за время, когда тело из одного крайнего положения возвращается в это самое крайнее положение.

Число полных колебаний, совершаемых телом за 1 с, называют частотой колебаний.

Единицей измерения частоты является герц (Гц): 1 Гц = 1/c.

3. Свободные колебания

Существуют два вида колебательных движений:

а) свободные;

б) вынужденные.

Свободные колебания - это колебания, происходящие в механической системе под действием внутренних сил системы после кратковременного действия какой-то внешней силы.

В свободные колебания относятся, например, колебания груза на нити, груз на пружине, чашки весов и др.

Тело или систему тел можно «заставить» делать колебания, прикладывая внешнюю периодическую силу. Скажем, качели можно раскачивать, периодически подталкивая ее.

Колебания, возникающие под действием внешних сил и меняются с течением времени по величине и направлению, называются вынужденными.

Рассмотрим колебания груза на нити или груза на пружине. В приведенных примерах система делала колебания около положения устойчивого равновесия. Почему же колебания возникают именно вблизи этого положения системы?

Дело в том, что в случае отклонения системы от положения устойчивого равновесия равнодействующая всех сил, приложенных к телу, пытается вернуть систему в положение равновесия. Эту равнодействующую силу так и называют - вращательной силой. Однако, вернувшись в положение равновесия, система вследствие инерции «проскакивает» его.

После этого снова возникает вращательная сила, направленная теперь в противоположную сторону. Так и возникают колебания.

Чтобы колебания продолжались, необходимо, чтобы силы трения или силы сопротивления были незначительными.

Таким образом, для того чтобы в системе происходили свободные колебания, необходимо, чтобы было выполнено два условия:

1) система должна находиться вблизи положения устойчивого равновесия;

2) силы сопротивления движения должны быть достаточно незначительными.

4. Вынужденные колебания

Колебания, возникающие под действием внешней периодической силы, называются вынужденными.

Выделяют две основные отличия вынужденных колебаний от свободных.

1) Частоту свободных колебаний определяют характеристики собственно системы - эта частота называется собственной частотой и обозначается обычно v0.

Например, для пружинного маятника то есть собственную частоту v0 определяет жесткость пружины и масса груза, а для математического маятника то есть собственную частоту v0 определяет ускорение свободного падения и длина маятника.

Частота вынужденных колебаний всегда равна частоте вынужденной периодической силы.

2) Амплитуда вынужденных колебаний не уменьшается со временем, даже если в системе имеется трение, потому что потери механической энергии, обусловленные трением, перекрывают за счет работы внешних сил.

Для того чтобы колебания не затухали, на тела системы должна действовать периодически изменяющаяся сила. Постоянная сила не может поддерживать колебания, так как под действием этой силы может измениться только положение равновесия, относительно которого происходят колебания.

Вынужденными колебаниями называются колебания тел под действием внешних периодически изменяющихся сил.

Колебания бывают свободными, затухающими и вынужденными. Наибольшее значение имеют вынужденные колебания.

Период и частота колебаний.

Колебания – это движения или процессы, которые характеризуются определенной повторяемостью во времени.

Период колебаний T – интервал времени, в течение которого происходит одно полное колебание.

Частота колебаний ν – число полных колебаний в единицу времени. В системе СИ выражается в герцах (Гц).

Период и частота колебаний связаны соотношением:

Циклическая (или круговая) частота ω = 2πν. Она связана с периодом отношением:

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Приведите примеры механических колебаний в природе и технике.

2. Как вы понимаете утверждение о том, что колебательное движение является периодическим?

3. Сколько раз в течение одного периода маятник проходит положение равновесия?

4. Какие величины, характеризующие колебательное движение, изменяются периодически?

Второй уровень

1. В чем принципиальное отличие колебательного движения от движения по кругу?

2. В каких случаях колебания невозможны?

3. Какие особенности имеют силы, обусловливающие колебательное движение?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Если ночью сфотографировать лампочку, раскачивается, то в случае длительной экспозиции на фотографии будет видна светлая полоса. Почему края этой полосы светлее, чем середина?

2. Равнодействующая, каких сил играет роль вращательной силы в случае колебаний груза, подвешенного:

а) на нитке;

б) на пружине?

2). Учимся решать задачи

1. Тело за 10 с сделало 50 колебаний. Чему равен период колебаний?

2. Во время колебаний грузик, подвешенный на нити, проходит через положение равновесия с интервалом 0,5 с. Чему равен период колебаний?

3. Тело за 1 мин. сделало 30 колебаний. Найдите период и частоту колебаний.

4. Сколько колебаний выполнит материальная точка течение 5 с при частоте колебаний 440 Гц?

5. Маленький шарик подвешен на нити длиной 1 м к потолку вагона. При какой скорости вагона шарик будет особенно сильно колебаться под действием ударов колес о стыки рельсов? Длина рельса 12,5 м. (Ответ: 6,23 м/с.)

6. С какой частотой необходимо толкать качели длиной 2 м, чтобы можно было наблюдать явление резонанса? Во время расчетов считайте, что качалку можно приблизительно рассматривать как математический маятник.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Модуль наибольшего отклонения от положения равновесия называют амплитудой колебаний хmах.

Промежуток времени, в течение которого происходит одно полное колебание, называют периодом колебаний: Т = t/N.

Количество полных колебаний, совершаемых телом за 1 с, называется частотой колебаний: v = 1/T.

Для того чтобы в системе происходили свободные колебания, необходимо, чтобы было выполнено два условия:

1) система должна находиться вблизи положения устойчивого равновесия;

2) силы сопротивления движения должны быть достаточно незначительными.

Во время колебаний происходят взаимные периодические превращения потенциальной и кинетической энергий.

Затухающими называются колебания, энергия которых уменьшается с течением времени.

Колебания, возникающие под действием внешней периодической силы, называются вынужденными.

Домашнее задание

1. Подр.: § 18 – 21.

2. Упр.3 № 1,2,3.

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема. Гармонические колебания. Фаза колебаний. Резонанс.

Цель урока: ознакомить студентов с понятиями гармонических колебаний, резонансом и фазой колебаний.

Тип урока: Комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	25 мин.	1. Механические колебания. 2. Основные характеристики колебаний. 3.Свободные колебания. Условия возникновения свободных колебаний. 4. Вынужденные колебания.
Демонстрации	15 мин.	1. Свободные колебания груза на пружине. 2. Запись колебательного движения
Изучение нового материала	35 мин.	1. Уравнение колебательного движения груза на пружине. 2. Гармонические колебания. 3. Фаза колебаний. 4. Резонанс.
Закрепление изученного материала	15 мин.	1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Уравнение колебательного движения груза на пружине

Во многих колебательных системах при малых отклонениях от положения равновесия модуль вращательной силы, а значит, и модуль ускорения прямо пропорционален модулю смещения относительно положения равновесия.

Покажем, что в таком случае смещение зависит от времени по закону косинуса (или синуса). С этой целью проанализируем колебания груза на пружине. Выберем за начало отсчета точку, в которой находится центр масс груза на пружине в положении равновесия (см. рисунок).

Если груз массой m смещен от положения равновесия на величину х (для положения равновесия х = 0), то на него действует сила упругости Fx = -kx, где k - жесткость пружины (знак «-» означает, что сила в любой момент времени направлена в сторону, противоположную смещению).

Согласно второму закону Ньютона Fx = mах. Таким образом, уравнение, описывающее движение груза имеет вид:

Обозначим ω2 = k/m. Тогда уравнение движения груза будет иметь вид:

Уравнение такого вида называется дифференциальным уравнением. Решением этого уравнения является функция:

Таким образом, за вертикальные смещения груза на пружине от положения равновесия он будет совершать свободные колебания. Координата центра масс при этом изменяется по закону косинуса.

2. Гармонические колебания

Убедиться в том, что колебания происходят по закону косинуса (или синуса) можно на опыте. Ученикам целесообразно показать запись колебательного движения (см. рисунок).

Колебания, при которых смещение зависит от времени по закону косинуса (или синуса), называются гармоническими.

Свободные колебания груза на пружине представляют пример механических гармонических колебаний.

Пусть в некоторый момент времени t1 координата колеблющегося груза равна x1 = xmax cosωt1. Согласно определению периода колебаний, в момент времени t2 = t1 + T координата тела должна быть такой же, как и в момент времени t1, то есть х2 = х1:

Период функции cosωt равен 2, следовательно, ωТ = 2, или

Но поскольку Т = 1/v, то ω = 2v, то есть циклической частота колебаний ω является количество полных колебаний, совершаемых за 2 секунд.

3. Фаза колебаний.
Введем еще одну величину, характеризующую гармонические колебания, — фазу колебаний.

При заданной амплитуде колебаний координата колеблющегося тела в любой момент времени однозначно определяется аргументом косинуса или синуса:
Величину, стоящую под знаком функции косинуса или синуса, называют фазой колебаний, описываемой этой функцией. Выражается фаза в угловых единицах радианах.

Фаза определяет не только значение координаты, но и значение других физических величин, например, скорости и ускорения, изменяющихся также по гармоническому закону. Поэтому можно сказать, что фаза определяет при заданной амплитуде состояние колебательной системы в любой момент времени. В этом состоит значение понятия фазы.

Колебания с одинаковыми амплитудами и частотами могут различаться фазами.

Отношениеуказывает, сколько периодов прошло от момента начала колебаний. Любому значению времени t, выраженному в числе периодов Т, соответствует значение фазы, выраженное в радианах. Так, по прошествии времени t =(четверти периода), по прошествии половины периода=, по прошествии целого периода= 2и т. д.

Можно изобразить на графике зависимость координаты колеблющейся точки не от времени, а от фазы. На рисунке 3.7 показана та же косинусоида, что и на рисунке 3.6, но на горизонтальной оси отложены вместо времени различные значения фазы.

Представление гармонических колебаний с помощью косинуса и синуса. Вы уже знаете, что при гармонических колебаниях координата тела изменяется со временем по закону косинуса или синуса. После введения понятия фазы остановимся на этом подробнее.

Синус отличается от косинуса сдвигом аргумента на, что соответствует, как видно из уравнения (3.21), промежутку времени, равному четверти периода:

Но при этом начальная фаза, т. е. значение фазы в момент времени t = 0, равна не нулю, а.

Обычно колебания тела, прикрепленного к пружине, или колебания маятника мы возбуждаем, выводя тело маятника из положения равновесия и затем отпуская его. Смещение от их положения равновесия максимально в начальной момент. Поэтому для описания колебаний удобнее пользоваться формулой (3.14) с применением косинуса, чем формулой (3.23) с применением синуса.

Но если бы мы возбудили колебания покоящегося тела кратковременным толчком, то координата тела в начальный момент была бы равна нулю, и изменения координаты со временем было бы удобнее описывать с помощью синуса, т. е. формулой

x = x_msint (3.24)

так как при этом начальная фаза равна нулю.

Если в начальный момент времени (при t = 0) фаза колебаний равна, то уравнение колебаний можно записать в виде

x = x_msin(t +)

Сдвиг фаз. Колебания, описываемые формулами (3.23) и (3.24), отличаются друг от друга только фазами. Разность фаз, или, как часто говорят, сдвиг фаз, этих колебаний составляет. На рисунке 3.8 показаны графики зависимости координат от времени колебаний, сдвинутых по фазе на. График 1 соответствует колебаниям, совершающимся по синусоидальному закону: x = x_msint а график 2 — колебаниям, совершающимся по закону косинуса:

Для определения разности фаз двух колебаний надо в обоих случаях колеблющуюся величину выразить через одну и ту же тригонометрическую функцию — косинус или синус.

4. Резонанс

Раскачивая качели, желательно толкать ее в такт с ее собственной частотой: в таком случае раскачки будет наиболее эффективным. Этот факт указывает на то, что амплитуда вынужденных колебаний существенно зависит от частоты внешней силы.

Опыты показывают, что амплитуда вынужденных колебаний тем больше, чем ближе частота внешней силы к собственной частоте колебаний.

Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частоты внешней силы с собственной частотой системы называется резонансом.

На рисунке показана резонансная кривая - зависимость амплитуды хmах вынужденных колебаний от частоты v вынужденной силы.

Резонанс проявляется в том, что функция xmax(v) имеет максимум при условии v = v0. Кривая 1 соответствует малой силе трения в системе, а кривая 2 - большой силе трения.

Во время резонанса направление внешней силы совпадает с направлением движения, поэтому в течение каждого колебания внешняя сила выполняет положительную работу. Именно эта «согласованность» и обусловливает резонанс. Если же частота внешней силы отличается от собственной частоты системы, внешняя сила будет направлена то в направлении движения, то противоположно к нему. В результате действие внешней силы будет значительно менее эффективной.

Явление резонанса используют в музыкальных инструментах для усиления звука. Резонанс применяют во многих приборах, в том числе и измерительных. Его часто используют также, когда надо сдвинуть с места что-нибудь тяжелое, например, застрявший автомобиль. В таком случае подбирают частоту толчков так, чтобы она совпала с собственной частотой системы. В результате амплитуда колебаний увеличивается и, наконец, становится настолько большой, что тело уже не возвращается в прежнее положение.

Случается, что резонанс приводит даже к разрушению зданий и мостов. Опасным является резонанс и во время работы любых машин, у которых есть вращающиеся или движущиеся части периодически (а такие части есть практически во всех машинах). Например, «разбалансировка» вала станка или двигателя проявляется в том, что во время вращения вала возникает периодическая сила, действующая на основание механизма, а через нее - на дом. Если частота этой силы окажется приближенной к собственной частоты дому, амплитуда колебаний доме может увеличиться настолько, что это приведет к разрушениям. Чтобы избежать нежелательных проявлений резонанса, действуют двумя способами.

1) «Розузгоджують» частоты, совпадение которых может привести к резонансу. Для этого изменяют или частоту внешней силы, или собственную частоту системы.

2) Увеличивают затухание колебаний, например, ставят двигатель на резиновую подложку или на пружины.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Приведите примеры гармонических колебаний.

2. Тело выполняет незатухающие колебания. Которые из величин, характеризующих это движение, постоянные, а какие меняются?

Второй уровень

Как изменяются сила, действующая на тело, его ускорение и скорость во время осуществления им гармонических колебаний?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

Учимся решать задачи

1. Напишите уравнение гармонического колебания, если его амплитуда 0,5 м, а частота 25 Гц.

2. Колебания груза на пружине описывают уравнением х = 0,1sin0,5. Определите амплитуду, круговую частоту и частоту колебаний.

3. Амплитуда колебания 2 см, смещение 1 см. Сколько времени прошло от начала колебаний?

Решение

Если бы движение было равномерным, то ответ был бы: t = 1/8Т. Но движение груза в этом задании неравномерный. Уравнение движения имеет вид: 1 = 2cosωt, откуда cosωt = 1/2. Следовательно, ωt = /3, откуда Таким образом, t = 1/6Т.

4. Колебания описывают формулой х = 0,12sin20t. Найдите амплитуду, частоту и период колебаний.

5. На рисунке приведен график гармонического колебания. Найдите амплитуду, частоту и период колебания. Запишите формулу зависимости x(t).

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Уравнение гармонических колебаний:

Циклической частотой колебаний ω является количество полных колебаний, совершаемых за 2 секунд.

Домашнее задание

1. Подр. § 22 – 26.

2. Упр. 3 № 4,5.

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема. Механические волны. Свойства механических волн.

Цель урока: дать студентам понятие о волновой движение как процесс распространения колебаний в пространстве с течением времени.

Тип урока: Комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	20 мин.	1. Преобразование энергии во время колебаний. 2. Вынужденные колебания. 3. Резонанс
Демонстрации	15 мин.	1.Образование и распространение поперечных и продольных волн. 2. Фрагменты видеофильма «Поперечные и продольные волны»
Изучение нового материала	35 мин.	1. Механические волны. 2. Основные характеристики волн. 3. Интерференция волн. 4. Поперечные и продольные волны. 5. Свойства механических волн
Закрепление изученного материала	20 мин.	1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Механические волны

Источниками волн являются колеблющиеся тела. Если такое тело находится в каком-либо среде, колебания передаются прилегающим частицам вещества. А поскольку частицы вещества взаимодействуют друг с другом, колеблющиеся частицы передают колебания своим «соседям». В результате колебания начинают распространяться в пространстве. Так и возникают волны.

Волной называют процесс распространения колебаний со временем.

Механические волны в среде обусловлены упругими деформациями среды. Образование волны того или иного вида объясняется наличием силовых связей между частицами, участвующих в колебаниях.

Любая волна переносит энергию, ведь волна - это колебания, распространяющиеся в пространстве, а любые колебания, как мы знаем, имеют энергию.

Механическая волна переносит энергию, но не переносит вещество.

Если источник волн совершает гармонические колебания, то каждая точка данного среды, в которой распространяются колебания, так же совершает гармонические колебания, причем с той же частотой, что и источник волн. В этом случае волна имеет синусоидальную форму. Такие волны называются гармоничными. Максимум гармонической волны называют ее гребнями.

2. Основные характеристики волн

Как пример рассмотрим волну, которая бежит по шнуру, когда один его конец совершает колебания под действием внешней силы. Если наблюдать за любой точкой шнура, мы заметим, что каждая точка совершает колебания с тем же периодом.

Промежуток времени Т, в течение которого происходит одно полное колебание, называют периодом колебаний.

Полное колебание происходит за время, когда тело из одного крайнего положения возвращается в это самое крайнее положение.

Частотой колебаний v называют физическую величину, равную числу колебаний за единицу времени.

Модуль наибольшего отклонения частиц от положения равновесия называется амплитудой волны.

Период волны и ее частота связаны соотношением:

Единицу частоты колебаний называют герц (Гц): 1 Гц = 1/c.

Расстояние между ближайшими точками волны, которые движутся одинаково, называется длиной волны и обозначается λ.

Поскольку волны - это колебания, распространяющиеся в пространстве с течением времени, выясним, какова же скорость распространения волн. За время, равное одному периоду Т, каждая точка среды осуществила ровно одно колебание и вернулась в то же положение. Итак, волна сместилась в пространстве именно на одну длину волны. Таким образом, если обозначить скорость распространения волны , получаем, что длина волны равна:

λ = T.

Поскольку Т = 1/v, получаем, что скорость волны, длина волны и частота волны связаны соотношением:

= λv.

3. Интерференция волн

Волны от разных источников распространяются независимо друг от друга, благодаря чему они свободно проходят одна сквозь другую. Накладывая волны с одинаковыми длинами, можно наблюдать усиление волн в одних точках пространства и ослабление в других.

Взаимное усиление или ослабление в пространстве двух или нескольких волн с одинаковой длиной называют интерференцией волн.

4. Поперечные и продольные волны

Механические волны бывают поперечными и продольными:

Частицы поперечной волны колеблются поперек направления распространения волны (в направлении переноса энергии), а доли продольной - вдоль направления распространения волны.

Волны, в которых частицы среды во время колебаний смещаются в направлении, перпендикулярном к направлению распространения волны, называются поперечными.

Поперечные волны могут распространяться только в твердых телах. Дело в том, что такие волны обусловлены деформациями сдвига, а в жидкостях и газах не существует деформаций сдвига: жидкости и газы не «оказывают сопротивления» смене формы.

Волны, в которых частицы среды во время колебаний смещаются вдоль направления распространения волны, называются продольными.

Пример продольной волны - волна, что бежит по мягкой пружине, когда один ее конец выполняет колебания под действием периодической внешней силы, направленной вдоль пружины. Продольные волны могут распространяться в любой среде. Соотношение = λv и λ = T справедливы для обоих видов волн.

5. Свойства механических волн

1. Отражение волн - механические волны любого происхождения обладают способностью отражаться от границы раздела двух сред.

2. Преломление волн - при распространении механических волн можно наблюдать и явление преломления: изменение направления распространения механических волн при переходе из одной среды в другую.

3. Дифракция волн - отклонение волн от прямолинейного распространения, то есть отгибание ими препятствий.

4. Интерференция волн - взаимовлияние двух волн. В пространстве, где распространяются несколько волн, их интерференция приводит к возникновению областей с минимальным и максимальным значениями амплитуды колебаний

Интерференция и дифракция механических волн.

Если механическая волна, распространяющаяся в среде, встречает на своем пути какое-либо препятствие, то она может резко изменить характер своего поведения. Например, на границе раздела двух сред с разными механическими свойствами волна частично отражается, а частично проникает во вторую среду. Волна, бегущая по резиновому жгуту или струне, отражается от неподвижно закрепленного конца; при этом появляется волна, бегущая во встречном направлении. В струне, закрепленной на обоих концах, возникают сложные колебания, которые можно рассматривать как результат наложения (суперпозиции) двух волн, распространяющихся в противоположных направлениях и испытывающих отражения и пере отражения на концах. Колебания струн, закрепленных на обоих концах, создают звуки всех струнных музыкальных инструментов. Очень похожее явление возникает при звучании духовых инструментов, в том числе органных труб.

При наложении волн может наблюдаться явление интерференции. Явление интерференции возникает при наложении когерентных волн.

Когерентными называют волны, имеющие одинаковые частоты, постоянную разность фаз, а колебания происходят в одной плоскости.

Интерференцией называется постоянное во времени явление взаимного усиления и ослабления колебаний в разных точках среды в результате наложения когерентных волн.

Результат суперпозиции волн зависит от того, в каких фазах накладываются друг на друга колебания.

Если волны от источников А и Б придут в точку С в одинаковых фазах, то произойдет усиление колебаний; если же – в противоположных фазах, то наблюдается ослабление колебаний. В результате в пространстве образуется устойчивая картина чередования областей усиленных и ослабленных колебаний.

Условия максимума и минимума

Если колебания точек А и Б совпадают по фазе и имеют равные амплитуды, то очевидно, что результирующее смещение в точке С зависит от разности хода двух волн.

Условия максимума

Если разность хода этих волн равна целому числу волн (т. е. четному числу полуволн) Δd = kλ, где k = 0, 1, 2, ..., то в точке наложения этих волн образуется интерференционный максимум.

Условие максимума:

Амплитуда результирующего колебания А = 2x₀.

Условие минимума

Если разность хода этих волн равна нечетному числу полуволн, то это означает, что волны от точек А и Б придут в точку С в противофазе и погасят друг друга.

Условие минимума:

Амплитуда результирующего колебания А = 0.

Если Δd не равно целому числу полуволн, то 0 < А < 2х₀.

Дифракция волн.

Явление отклонения от прямолинейного распространения и огибание волнами препятствий называется дифракцией.

Соотношение между длиной волны (λ) и размерами препятствия (L) определяет поведение волны. Дифракция наиболее отчетливо проявляется, если длина набегающей волны больше размеров препятствия. Опыты показывают, что дифракция существует всегда, но становится заметной при условии d<<λ, где d – размер препятствия.

Дифракция – общее свойство волн любой природы, которая происходит всегда, но условия её наблюдения разные.

Волна на поверхности воды распространяется в сторону достаточно большого препятствия, за которым образуется тень, т.е. волнового процесса не наблюдается. Такое свойство используется при устройстве волноломов в портах. Если же размеры препятствия сравнимы с длиной волны, то за препятствием будет наблюдаться волнение. Позади него волна распространяется так, как будто препятствия не было вовсе, т.е. наблюдается дифракция волны.

Примеры проявления дифракции. Слышимость громкого разговора за углом дома, звуки в лесу, волны на поверхности воды.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Что представляют собой механические волны?

2. Одинаковая ли длина волны одной и той же частоты в различных средах?

3. Где могут распространяться поперечные волны?

4. Где могут распространяться продольные волны?

Второй уровень

1. Возможны поперечные волны в жидкостях и газах?

2. Почему волны переносят энергию?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Продольные или поперечные волны возникают:

а) в струнах при игре на гитаре;

б) в воздушном столбе внутри духовой трубы, когда музыкант дует в трубу;

в) на поверхности воды, если ударить по ней ладонью?

Ответ: а) поперечные; б) продольные; в) эти волны нельзя отнести ни в продольных, ни поперечных.

2. Какое физическое явление положено в основу загадки: по морю идет, идет, а до берега дойдет - тут и пропадет?

2). Учимся решать задачи

1. Лодка качается на волне с частотой 0,5 Гц. Какова скорость этой волны, если расстояние между соседними гребнями 3 м?

2. Подводная лодка всплыла на расстоянии 100 м от берега, вызвав волны на поверхности воды. Волны дошли до берега за 20 с, причем за последующие 15 с - 30 всплесков волн о берег. Какое расстояние между гребнями соседних волн?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Волной называется процесс распространения колебаний со временем.

Промежуток времени Т, в течение которого происходит одно полное колебание, называют периодом колебаний.

Частотой колебаний v называют физическую величину, равную числу колебаний за единицу времени.

Взаимное усиление или ослабление в пространстве двух или нескольких волн одинаковой длины называют интерференцией волн.

Домашнее задание

1. Подр.: § 42,43.

2. Упр. 6 № 1,2.

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема. Длина волны. Звуковые волны. Ультразвук и его использование в технике и медицине.

Цель урока: дать понятие о звуковой волне и ввести ее основные характеристики - скорость, длина, высота и громкость.

Тип урока: Комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	20 мин.	1. Механические волны и их характеристики. 2. Поперечные волны. 3. Продольные волны
Демонстрации	10 мин.	1. Колеблющееся тело как источник звука. 2. Зависимость высоты тона от частоты колебаний. 3. Зависимость громкости звука от амплитуды колебаний
Изучение нового материала	45 мин.	1. Звуковые волны. 2. Скорость звука. Длина волны. 3. Высота и тембр звука. 4. Громкость звука. 5. Ультразвук и его использование в технике и медицине.
Закрепление изученного материала	15 мин.	1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Звуковые волны

Звуковые явления возникают вследствие механического колебания различных тел. Однако не любые колебания создают звук. Например, маятник не влечет звуковых колебаний, хотя амплитуда его колебаний может быть достаточно высокой, ведь амплитуда не является основным условием для возникновения звуковой волны.

Звуковые волны - это волны, частоты которых лежат в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

Именно такие колебания мы воспринимаем как звук. Звуковые волны в воздухе - это продольные волны, то есть поочередное разрежения и сгущения воздуха. Звуковые волны порождает какое-либо колеблющееся тело: голосовые связки, мембрана динамика, музыкальные инструменты и т.п.

Наши уши воспринимают в виде звука колебания, частоты которых находятся в пределах от 16-20 Гц до 20 кГц. Такие колебания называют акустическими. Раздел физики, изучающий способы возникновения звуковых волн, их распространение и взаимодействие со средой, называют акустикой.

2. Скорость звука. Длина волны.

Звуковые волны, как и все другие волны, распространяющиеся с конечной скоростью, называемой скоростью звука, то есть для распространения колебаний от источника требуется определенное время.

Скорость звука в различных средах отличается в десятки раз. Например, скорость звука в воздухе - около 330-340 м/с (диапазон значений связан с тем, что эта скорость вследствие повышения температуры несколько увеличивается). В воде скорость звука составляет примерно 1500 м/с, а в стали - 5000-6000 м/с.

Колебания среды при прохождении волны являются вынужденными. А частота вынужденных колебаний, как мы уже знаем, равна частоте внешней силы. Следовательно, частота звуковых колебаний всегда равна частоте колебаний тела, что является источником звука. А поскольку частота волны и длина волны связаны соотношением λ = с /v, мы видим, что при переходе звуковой волны из одной среды в другую изменяется длина волны. Например, вследствие перехода в среду, в которой скорость звука больше, длина звуковой волны увеличивается.

Частота звуковой волны отражает периодичность вариаций давления, количество циклов. Один цикл — это перепад от высокого давления к низкому и обратно к высокому. Количество циклов в секунду измеряется в Герцах (Гц).

Длина звуковой волны - это физическое расстояние между началом одного цикла и началом последующего. Длина волны соотносится с частотой через скорость звука.

Скорость звука в воздухе равна примерно 344 метров в секунду. Скорость звука не зависит от частоты, а является свойством среды, в которой он распространяется.

Длина волны звука определенной частоты равна скорости звука, поделенной на частоту.

3. Высота и тембр звука

Звуки, что издает камертон или другие гармонически колеблющиеся тела, называются музыкальными.

Различные шумы отличаются от музыкальных звуков тем, что им не соответствует определенная частота колебаний. Это смесь звуков самых разнообразных частот, беспорядочно чередуются.

Как известно, бас поет низким голосом, а тенор - высоким. От какой характеристики звуковой волны зависит высота звука? Опыты показывают, что высоту звука определяют частотой звуковой волны: чем больше частота волны, тем звук выше.

Например, писк комара соответствует 500-600 помахам его крылышек в секунду, жужжание шмеля - 220 помехам. Колебания голосовых связок певцов могут создавать звуки в диапазоне от 80 до 1400 Гц (см. таблицу), хотя в эксперименте фиксировались рекордно низкая (44 Гц) и высокая (2350 Гц) частоты.

В телефоне для воспроизведения человеческой речи используют область частот от 300 до 2000 Гц.

Звучание одной и той же ноты в исполнении различных музыкальных инструментов или голоса отличает тембр. Именно по тембру мы узнаем голос человека или различаем инструменты, которые используют ту же мелодию в одной тональности и с одинаковой громкостью.

Тембр звука определяет его окраску. Он определяется наличием и интенсивностью обертонов - частот, кратных основной.

Именно благодаря тембру звуки различных музыкальных инструментов имеют разное звучание. Чем больше обертонов, тем «насыщеннее», лучший звук. Очаровательный серебристый оттенок голосов хороших певцов обусловлен высокими обертонами.

Высота тона. Высота звука определяется частотой волны, или частотой колебаний источника звука.

Звуки человеческого голоса по высоте делят на несколько диапазонов:

бас – 80–350 Гц,

баритон – 110–149 Гц,

тенор – 130–520 Гц,

дискант – 260–1000 Гц,

сопрано – 260–1050 Гц,

колоратурное сопрано – до 1400 Гц.

Человеческое ухо способно воспринимать упругие волны с частотой примерно от 16 Гц до 20 кГц. А как мы слышим?

Слуховой анализатор человека - ухо - состоит их четырех частей: наружное, среднее, внутреннее и слуховые проводящие пути.

4. Громкость звука

Изменяя силу удара по камертону молоточком, мы будем слышать звуки, отличающиеся по громкости. Но мы знаем, что чем сильнее мы ударяем, тем больше амплитуда колебаний ножек камертона. В случае увеличения амплитуды колебаний звучащего тела увеличивается и амплитуда колебаний в звуковой волне.

Это означает, что громкость звука определяют преимущественно амплитудой звуковой волны.

Однако громкость, что воспринимает ухо, зависит еще и от частоты звуковой волны, потому что ухо более чувствительно к одних частот и менее чувствительно - к другим. Например, ультразвук даже большой амплитуды человек не услышит.

Минимальное изменение давления, что может фиксировать человеческое ухо, определяет порог чувствительности.

Максимальное изменение давления, которое еще способно фиксировать человеческое ухо, определяет болевой порог.

Единицей измерения громкости является децибел (дБ). В приведенной таблице указана ориентировочная громкость звука различных источников.

Источник звука	Громкость, дБ
Тиканье наручных часов	10
Тихий шепот, шелест листов	20
Обычное вещание	60
Громкое вещание	80
Голос певца	100
Отбойный молоток	110
Рок-концерт	120

Громкость, равную 120 дб, называют болевым порогом: за такой уровень громкости возникают болезненные ощущения. А за длительные воздействия такого звука происходит необратимое ухудшение слуха: человек уже никогда не сможет услышать шелеста листьев.

5. Ультразвук и его использование в технике и медицине.

Ультразвук - продольные волны с частотой, превышающей 20 000Гц.

Применение ультразвука.

С помощью гидролокаторов, установленных на кораблях, измеряют глубину моря, обнаруживают косяки рыб, встречный айсберг или подводную лодку.

Ультразвук используют в промышленности для обнаружения дефектов в изделиях.

В медицине при помощи ультразвука осуществляют сварку костей, обнаруживают опухоли, осуществляют диагностику заболеваний.

Биологическое действие ультразвука позволяет использовать его для стерилизации молока, лекарственных веществ, а также медицинских инструментов.

Совершенные ультразвуковые локаторы имеют летучие мыши и дельфины.

Ультразвук представляет собой высокочастотные механические колебания частиц твердой, жидкой или газообразной среды, неслышимые человеческим ухом. Частота колебаний ультразвука выше 20 000 в секунду, т. е. выше порога слышимости.

Для лечебных целей применяется ультразвук с частотой от 800 000 до 3 000 000 колебаний в секунду. Для генерирования ультразвука используются устройства, называемые ультразвуковыми излучателями.

Наибольшее распространение получили электромеханические излучатели. Применение ультразвука в медицине связано с особенностями его распространения и характерными свойствами. По физической природе ультразвук, как и звук, является механической (упругой) волной. Однако длина волны ультразвука существенно меньше длины звуковой волны. Чем больше различные акустические сопротивления, тем сильнее отражение и преломление ультразвука на границе разнородных сред. Отражение ультразвуковых волн зависит от угла падения на зону воздействия – чем больше угол падения, тем больше коэффициент отражения.

В организме ультразвук частотой 800—1000 кГц распространяется на глубину 8—10 см, а при частоте 2500–3000 Гц – на 1,0–3,0 см. Ультразвук поглощается тканями неравномерно: чем выше акустическая плотность, тем меньше поглощение.

На организм человека при проведении ультразвуковой терапии действуют три фактора:

1) механический – вибрационный микромассаж клеток и тканей;

2) тепловой – повышение температуры тканей и проницаемости клеточных оболочек;

3) физико-химический – стимуляция тканевого обмена и процессов регенерации.

Биологическое действие ультразвука зависит от его дозы, которая может быть для тканей стимулирующей, угнетающей или даже разрушающей. Наиболее адекватными для лечебно-профилактических воздействий являются небольшие дозировки ультразвука (до 1,2 Вт/см2), особенно в импульсном режиме. Они способны оказывать болеутоляющее, антисептическое (противомикробное), сосудорасширяющее, рассасывающее, противовоспалительное, десенсибилизирующее (противоаллергическое) действие.

В физиотерапевтической практике используются преимущественно отечественные аппараты трех серий: УЗТ-1, УЗТ-2, УЗТ-3.

Ультразвук не применяется на область мозга, шейных позвонков, костные выступы, области растущих костей, ткани с выраженным нарушением кровообращения, на живот при беременности, мошонку. С осторожностью ультразвук применяют на область сердца, эндокринные органы.

Различают непрерывный и импульсный ультразвук. Непрерывным ультразвуком принято называть непрерывный поток ультразвуковых волн. Этот вид излучения используется главным образом для воздействия на мягкие ткани и суставы. Импульсный ультразвук представляет собой прерывистое излучение, т. е. ультразвук посылается отдельными импульсами через определенные промежутки времени.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Какова физическая природа звука?

2. Какие тела являются источниками звука?

3. Почему для распространения звука необходима среда?

4. Чем определяют громкость звука и его высоту?

Второй уровень

1. Почему для скорости звука в твердых телах отмечают два ее значения?

2. Чем обусловлено различие тембра звуков?

3. Продольные или поперечные колебания возникают в звуковых волнах в воздухе? в воде? в твердом теле?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. С какой частотой колеблется барабанная перепонка уха человека, когда до нее доходит звук?

2. Как изменится громкость звука, если уменьшить амплитуду колебаний источника, что его выдает?

3. Самолет летит со сверхзвуковой скоростью. Слышен в кабине пилота звук работы двигателя, который размещен за кабиной?

4. Как изменяются частота и длина волны звука при переходе из воздуха в воду?

5. Или обязательно то, что более звука соответствует большая амплитуда звуковой волны?

2). Учимся решать задачи

1. Самолет летит горизонтально с постоянной скоростью. Когда наблюдатель слышит, что самолет находится над ним, он видит самолет под углом 60° к горизонту. Какова скорость самолета?

2. Найдите длину звуковой волны частотой 440 Гц в воздухе и воде.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Звуковые волны - это волны, частоты которых лежат в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц.

Высоту звука определяет частота звуковой волны: чем больше частота волны, тем звук выше.

Громкость звука определяют преимущественно по амплитуде звуковой волны.

Звуковые волны частотой, которая выше звукового диапазона, называют ультразвуком.

На организм человека при проведении ультразвуковой терапии действуют три фактора:

1) механический – вибрационный микромассаж клеток и тканей;

2) тепловой – повышение температуры тканей и проницаемости клеточных оболочек;

3) физико-химический – стимуляция тканевого обмена и процессов регенерации.

Домашнее задание

1. Подр.: § 44 – 47.

2. Подготовить презентацию по теме: «Инфразвук и ультразвук».

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Тема. Решение задач

Цель урока: закрепить понимание студентов изученного материала; научить их применять свои знания при решении конкретных задач.

Тип урока: урок закрепления знаний.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

Усвоению теоретического материала о колебаниях маятников хорошо помогают правильно организованные занятия по решению соответствующих задач. В зависимости от уровня подготовки студентов преподаватель подбирает такие задания, которые в полной мере отвечают познавательным запросам студентов. Ниже приводим ориентировочный перечень качественных и расчетных задач, из которых преподаватель может выбрать необходимые для данного урока.

КАЧЕСТВЕННЫЕ ЗАДАЧИ

1. Космонавт взял с собой на Месяц наручные механические часы и маятниковые часы. Какие из них идут на Луне так же, как на Земле?

2. Изменится ли период колебаний качелей, если вместо одного человека на качалку сядут двое?

3. Как изменится период колебаний маятника, если его перенести из воздуха в воду или в вязкое масло?

4. Во сколько раз изменится период колебаний банки с песком, если, после того как высыпать песок, полная масса банки уменьшится в 2 раза? Банка подвешена: а) на длинной нитке; б) на пружине (вертикальные колебания). (Ответ: а) не изменится; б) уменьшится в раза.)

5. Как будут идти часы с секундным маятником, установленным для Киева, на полюсе и на экваторе?

Решение

На полюсе часы будут спешить, на экваторе - отставать.

6. По какой траектории будет двигаться шарик математического маятника, если нить маятника пережечь в тот момент, когда шарик проходит положение равновесия?

7. Если нести груз на веревочной петле, то при определенном темпе ходьбы груз начнет сильно раскачиваться. Почему?

8. Во сколько раз нужно увеличить амплитуду колебаний, чтобы энергия колебательной системы увеличилась в 9 раз?

9. Когда в цехе установили новый станок, сразу стала чувствоваться сильная вибрация пола. Как можно устранить или значительно уменьшить эту вибрацию?

РАСЧЕТНЫЕ ЗАДАЧИ

1. Пружинный маятник выполнил за некоторое время 16 колебаний. Когда массу груза увеличили на 200 г, маятник выполнил за такое же время 15 колебаний. Какова была первоначальная масса груза? (Ответ: 1,45 кг.)

2. Лифт движется с ускорением 1м/с2. Найдите период колебаний маятника длиной 1 м, который размещен в лифте. Рассмотрите два случая: а) ускорение лифта направлена вверх; б) ускорение лифта направлена вниз. (Ответ: а) 1,9 с; 6) 2,1 сек.)

3. Ученик изготовил два пружинных маятники, использовав для этого одинаковые пружины и грузы одинаковых размеров. Он обнаружил, что алюминиевый груз совершает 45 колебаний за то же время, за которое второй груз осуществляет 22 колебания. Из какого материала может быть изготовлен второй груз? (Ответ: из свинца.)

4. При увеличении длины математического маятника на 10 см его период колебаний увеличился на 0,1 с. Каким был начальный период колебаний? (Ответ: 2 с.)

5. Груз поочередно подвешивают в двух пружин. В первом случае период колебаний груза равен Т1, а во втором случае Т2. Каким будет период колебаний, если тот же груз подвесить к обеих пружин, соединенных: а) параллельно; б) последовательно? (Ответ:

6. Маленький шарик подвешен на нити длиной 1 м к потолку вагона. При какой скорости вагона шарик будет особенно сильно колебаться под действием ударов колес о стыки рельсов? Длина рельса 12,5 м. (Ответ: 6,23 м/с.)

7. С какой частотой необходимо толкать качели длиной 2 м, чтобы можно было наблюдать явление резонанса? Во время расчетов считайте, что качалку можно приблизительно рассматривать как математический маятник.

8. Когда период колебаний математического маятника больше: зимой или летом?

9. Подвешенный на пружине груз, находясь в равновесии, растягивает пружину на 10 см. Хватит ли этих данных, чтобы найти период колебаний груза на пружине?

10. Как изменился ход маятниковых часов, привезенных из Киева на научную станцию в Антарктиде?

11. Когда к пружине подвесили груз, она растянулась на 20 см. Груз отвели вниз и отпустили. Период Т колебаний, что возникли?

12. Стальной шарик, подвешенный к пружине, совершает вертикальные колебания. Как изменится период колебаний, если к пружине подвесить медный шарик того же радиуса? (Ответ: уменьшится в 1,07 раза.)

13. Какое отношение длин двух математических маятников, если один из них делает 31 колебания за, то же время, за которое второй выполняет 20 колебаний? (Ответ: длина второго маятника больше в 2,4 раза.)

Домашнее задание

1. Подр.: §§18 – 26, 42 – 47.

2. Выучить все формулы и подготовиться к контрольной работе по разделу: «Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны».

Раздел 1. Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны.

Контрольная работа по теме: «Механика с элементами теории относительности. Колебания и волны»

Цель урока: проконтролировать знания студентов, полученные при изучении данного раздела; умения применять знания при решении расчетных и качественных задач.

Тип урока: закрепление знаний

Ход урока

1. Организационный момент

2. Выполнение контрольной работы

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ УРОКА

Студентам можно предложить контрольную работу, состоящую из шести вариантов.

Ниже предлагается один из вариантов контрольной работы.

ЗАДАНИЯ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ №4

Задание 1 (0,5 балла)

Которая из шаров, изображенных на рисунках, может после кратковременного воздействия на нее рукой совершать колебания.

A. Шарик, изображена на рисунке 1.

Б. Шарик, изображена на рисунке 2.

В. Шарик, изображена на рисунке 3.

Г. Любая из шаров, изображенных на рисунках.

Задача 2 (1 балл)

Подвешенный на пружине груз совершает небольшие колебания в вертикальном направлении.

А. Чем больше жесткость пружины, тем больше период колебаний.

Б. Период колебаний груза зависит от амплитуды.

В. Чем меньше масса колеблющегося груза, тем больше период колебаний.

Г. Скорость груза изменяется с течением времени периодически.

Задание 3 (1,5 балла)

В каких средах могут возникать и распространяться поперечные волны? продольные волны? Приведите примеры.

Задание 4 (2 балла)

По поверхности воды в озере волна распространяется со скоростью 6 м/с. Каковы период и частота колебаний лодки на поверхности озера, если длина волны - 3 м?

Задание 5 (3 балла)

A. Период колебаний математического маятника		1.
Б. Период колебаний пружинного маятника		2.
В. Скорость волны		3.
Г. Период волны		4.
		5.

Задание 6 (4 балла)

За один период времени один математический маятник совершает 50 колебаний, а другой - 30. Вычислите длины маятников, если один из них на 32 см короче другого.

Задачи

1. Вычислить первую космическую скорость для планеты Нептун, если его радиус равен 24960 км, а ускорение свободного падения на его поверхности равно 11 м /с.

2. Вычислить первую космическую скорость для планеты Венера, если её радиус 6052 км, а масса равна 5 * 10 кг.

3. Какую скорость должен иметь искусственный спутник Земли, чтобы обращаться по круговой орбите вокруг Земли на расстоянии 900 км от её поверхности. Масса Земли 6 * 10 кг, а её радиус 6400 км?

4. Период обращения планеты Плутон вокруг Солнца равен 90400 суток. С какой скоростью Плутон движется вокруг Солнца, если расстояние от Плутона до Солнца 5900 млн. км? Выразите скорость в км /ч.

5. Тело массой 2 кг, движется на восток, тормозиться постоянной силой 10 Н, направленной на запад. Чему равно и куда направлено ускорение тела?

6. Рассчитайте силу притяжения двух тел, если масса тел по 2 кг и расстояние между телами 0,5 м. (G=6,67* 10-11 Нм2/кг2)

Тесты по физике

Вариант 1

1. Определить силу тяжести тела массой 8 т 20 кг.

2. На какую высоту поднялся космический корабль, если приборы отметили уменьшение ускорения свободного падения в 5 раз?

3. Найти ускорение свободного падения на высоте, равной 2,5 радиуса Земли.

4. Масса Луны в 100 раз меньше массы Земли, а её радиус в 4 раза меньше радиуса Земли. Определить ускорение свободного падения на Луне если на Земле оно равно 9,8 м /с

Вариант 2

1. Определить силу тяжести тела массой 8 кг 50 г.

2. На какую высоту поднялся космический корабль, если ускорение свободного падения стало равным 3,6 м/с?

3. Найти ускорение свободного падения на высоте, равной 4,5 радиуса Земли.

4. Масса планеты в 30 раз больше массы Земли, а радиус планеты в 3 раза меньше радиуса Земли. Определить ускорение свободного падения на планете, если на Земле оно равно 9,8 м/с.

Вариант 3

1. Определить силу тяжести тела массой 3 т 250 кг.

2. На какую высоту поднялся космический корабль, если приборы отметили уменьшение ускорения свободного падения в 4,5 раз?

3. Найти ускорение свободного падения на высоте, равной 5,2 радиуса Земли.

4. Масса планеты Нептун в17,3 раза больше массы Земли, а радиус планеты в 4 раза больше, чем радиус Земли. Определить ускорение свободного падения на планете Нептун, если на Земле оно равно 9,8 м/с.

Вариант 4

1. Определить силу тяжести тела массой 245 г.

2. На какую высоту поднялся космический корабль, если приборы отметили уменьшение ускорения свободного падения стало равным 2,5 м/с.

3. Найти ускорение свободного падения на высоте, равной 1,5 радиуса Земли.

4. Масса планеты Юпитер в 318 раз больше массы Земли, а его радиус в 11,2 раза больше, радиуса Земли. Определить ускорение свободного падения на планете Юпитер, если на Земле оно равно 9,8 м/с.

Вариант 5

1. Определить силу тяжести тела массой 2 кг 20 г.

2. На какую высоту поднялся космический корабль, если приборы отметили уменьшение ускорения свободного падения в 8 раз?

3. Найти ускорение свободного падения на высоте, равной 3,6 радиуса Земли.

4. Масса планеты Уран в 14,5 раз больше массы Земли, а радиус планеты в 4 раза больше радиуса Земли. Определить ускорение свободного падения на планете, если на Земле оно равно 9,8 м/с.

Вариант 6

1. Определить силу тяжести тела массой 2 т 5 кг.

2. На какую высоту поднялся космический корабль, если ускорение свободного падения стало равным 7 м/с?

3. Найти ускорение свободного падения на высоте, равной 1/3 радиуса Земли.

4. Масса планеты Меркурий равна 0,05 массы Земли, а радиус планеты равен 0,38 радиуса Земли. Определить ускорение свободного падения на планете, если на Земле оно равно 9,8 м/с.

Вариант 7

1. Определить силу тяжести тела массой 3 кг 800 г.

2. На какую высоту поднялся космический корабль, если приборы отметили уменьшение ускорения свободного падения в 5,5 раз?

3. Найти ускорение свободного падения на высоте, равной 12,3 радиусам Земли.

4. Масса планеты Сатурна в 95,1 раз больше массы Земли, а её радиус составляет 9,5 радиусов Земли. Определить ускорение свободного падения на планете Сатурн, если на Земле оно равно 9,8 м/с.

Вариант 8.
1. Определить силу тяжести тела массой 5 т 9 кг.

2. На какую высоту поднялся космический корабль, если ускорение свободного падения стало равным 8,2 м/с?

3. Найти ускорение свободного падения на высоте, равной 6,3 радиуса Земли.

4. Масса планеты равна 0,25 массы Земли, а радиус планеты в 2 раза больше радиуса земного. Определить ускорение свободного падения на планете, если на Земле оно равно 9,8 м/с.

Раздел 2. Молекулярная физика. Термодинамика.

Тема: «Температура. Энергия теплового движения молекул».

Цели урока:

Охарактеризовать особенности движения молекул тела;

Ввести понятие температуры;

Познакомиться с основными характеристиками тепловых процессов;

Обозначить связь между температурой тела и скоростью движения его молекул;

Выделить тепловое движение как особый вид движения.

Тип урока: Комбинированный урок.

План урока:

1. Повторение;

2.Определение тепловых явлений;

3.Измерение температуры. Термометр;

4.Тепловое движение;

5.Закрепление изученного;

6.Выводы

Ход урока

Здравствуйте, мы продолжаем с вами изучать курс физики. В 7 классе вам говорили, что физика – это наука о природе и тех изменениях, которые в ней происходят. Изменения, происходящие в природе – это физические явления: механические, световые, тепловые, электрические, звуковые, магнитные(примеры). Именно о тепловых явлениях мы с вами и поговорим.

I. Повторение

-Как называются частицы, из которых состоят вещества? (молекула)

-Что такое диффузия? (диффузия – это явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого)

-Одинаково ли быстро протекает диффузия в газах, жидкостях и в твердых телах?

-Почему твердые тела и жидкости не распадаются на отдельные

молекулы? (существует взаимодействие друг с другом - притяжение)

-Что вы знаете о молекулах одного и того же вещества? Какие три состояния вещества вы знаете? (твёрдое, жидкое и газообразное)

-Как расположены молекулы газа (почти не взаимодействуют друг с другом), жидкости (взаимодействие сильное) и твердого тела (упорядоченное расположение молекул)?

II. Изучение нового материала

1. Температура

В окружающем мире происходят различные физические явления, которые связаны с нагреванием и охлаждением тел.

Словами «холодный», «теплый», «горячий» указывают на различную степень нагретой тела и говорят о различной температуре. Для объективности измерений температуры были созданы различного рода термометры.

В повседневной деятельности мы часто встречаемся с понятиями «холодно», «горячо». Однако ощущение тепла и холода является субъективным фактором. В субъективности теплового ощущения учащиеся могут убедиться на следующих опытах:

а) на столе устанавливают три сосуда с водой: один с горячей водой, второй — с холодной и третий — с теплой. Предлагают одному желающему ученику поместить левую руку в сосуд с горячей водой, а правую — в сосуд с холодной. Через некоторое время предлагают ученику обе руки опустить в сосуд с теплой водой. Ученик сообщает, что теперь правая рука чувствует тепло, а левая — холод, хотя обе руки находятся в одной и той же воде;

б) Преподаватель предлагает учащимся левой рукой дотронуться до деревянного предмета (например, стол, стул), а правой — до металлического. Хотя предметы находятся в классе при одной и той же температуре, левая рука ощущает тепло, правая — холод. Отсюда делается вывод: с помощью ощущений судить о температуре невозможно.

Температуру тел измеряют с помощью термометра и выражают в градусах Цельсия.

В 7 классе вам подробно объясняли, как находить цену деления измерительного прибора. Мы с вами сегодня вспомним правила нахождения цены деления и предела измерения.

1) Определить цену деления шкалы и предел измерения по карточкам – работа по группам (по 2 человека за партой)

(Цена деления – разность показаний двух соседних цифр на число делений между ними, предел измерения – max значение на шкале)

Важно отметить, что любое измерение температуры требует времени.

Время необходимо для того, чтобы термометр мог войти в состояние теплового равновесия с телом, температуру которого мы измеряем.

Фактически термометр показывает собственную температуру, которая в состоянии теплового равновесия равна температуре тела.

Вам уже известно, что диффузия при более высокой температуре происходит быстрее. Это означает, что скорость движения молекул и температура связаны между собой. При повышении температуры скорость движения молекул увеличивается, а при понижении – уменьшается.

Температура зависит от скорости движения частиц вещества.

Теплая вода состоит из таких же молекул, как и холодная, разница между ними лишь в скорости движения молекул. Каждая молекула движется по очень сложной траектории.

Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением.

Явления, связанные с нагреванием или охлаждением тел, с изменением температуры, называются тепловыми.

Тепловое движение отличается от механического движения тем, что в нем участвуют много частиц и каждая движется беспорядочно.

Тепловое движение никогда не прекращается. Оно может лишь менять интенсивность. Траектория одной молекулы — ломаная линия. Чем больше частиц в веществе, тем более замысловатую форму имеет траектория отдельной частицы.

Температура — это физическая характеристика состояния вещества, определяемая средней кинетической энергией хаотичного движения частиц вещества. С ростом температуры растет их средняя кинетическая энергия.

Температура - это мера средней кинетической энергии молекул.

Температура характеризует степень нагретости тел.

Прибор для измерения температуры - термометр.

Принцип действия термометра:

При измерении температуры используется зависимость изменения какого-либо макроскопического параметра (объема, давления, электрического сопротивления и т.д.) вещества от температуры.

В жидкостных термометрах - это изменение объема жидкости.

При контакте двух сред происходит передача энергии от более нагретой среды менее нагретой.
В процессе измерения температура тела и термометра приходят в состояние теплового равновесия.

Термометры

На практике часто используются жидкостные термометры: ртутные (в диапазоне от -35 С до +750 С) и спиртовые (от -80 С до +70 С).

В них используется свойство жидкости изменять свой объем при изменении температуры.
Однако, у каждой жидкости существуют свои особенности изменения объема (расширения) при различных температурах.

В результате сравнения, например, показаний ртутного и спиртового термометров, точное совпадение будет только лишь в двух точках (при температурах 0 С и 100 С).

Этих недостатков лишены газовые термометры.

Первый газовый термометр был создан франц. физиком Ж. Шарлем.

Преимущества газового термометра:

- используется линейная зависимость изменения объема или давления газа от температуры, которая справедлива для всех газов

- точность измерения от 0,003 С до 0,02 С

- интервал температур от -271 С до +1027 С.

2. Тепловое равновесие

При соприкосновении двух тел различной температуры происходит передача внутренней энергии от более нагретого тела менее нагретому, и температуры обоих тел выравниваются.

Наступает состояние теплового равновесия, при котором все макропараметры (объем, давление, температура) обоих тел остаются в дальнейшем неизменными при неизменных внешних условиях.

Тепловым равновесием называется такое состояние, при котором все макроскопические параметры остаются неизменными сколь угодно долго.

Состояние теплового равновесия системы тел характеризуется температурой: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.
Установлено, что при тепловом равновесии средние кинетические энергии поступательного движения молекул всех газов одинаковы, т.е.

Для разреженных (идеальных) газов величина

и зависит только от температуры, тогда

где k – постоянная Больцмана

Эта зависимость дает возможность ввести новую температурную шкалу – абсолютную шкалу температур, не зависящую от вещества, используемого для измерения температуры.

Абсолютная шкала температур

- введена англ. физиком У. Кельвином

- нет отрицательных температур

Единица абсолютной температуры в СИ: [T] = 1K (Кельвин)
Нулевая температура абсолютной шкалы – это абсолютный ноль (0К = -273 С), самая низкая температура в природе. В настоящее время достигнута самая низкая температура - 0,0001К.
По величине 1К равен 1 градусу по шкале Цельсия.

Связь абсолютной шкалы со шкалой Цельсия

Запомни!
В формулах абсолютная температура обозначается буквой «Т», а температура по шкале Цельсия буквой «t».

После введения абсолютной температуры получаем новые выражения для формул:

Средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул

Давление газа - основное уравнение МКТ

Средняя квадратичная скорость молекул

И как следствие, закон Авогадро: В равных объемах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое число молекул.
Заметьте, здесь концентрация молекул также одинакова!

III. Закрепление изученного

1.По карточкам определить цену деления и предел измерения термометра (по группам за партой)

2. Игра “Отгадай загадку”.

Сейчас вы будете отгадывать загадки, о физических телах, веществах, явлениях.

1. Я в Москве, он в Ленинграде

В разных комнатах сидим.

Далеко, а будто рядом

Разговариваем с ним. (Телефон)

2. Полетела в стаю звезд. (Ракета)

3. Сначала - блеск,

За блеском – треск,

За треском – плеск. (Молния, гром, дождь)

4. Никто его не видывал,

А слышать – всякий слыхивал.

Без тела, а живет оно,

Без языка – кричит. (Эхо)

5. Что с земли не поднимешь? (Тень)

6. Пушистая вата

Плывет куда – то.

Чем вата ниже,

Тем дождик ближе. (Туча)

3. Перечислите физические явления + примеры

Домашнее задание

§ 1, вопросы после параграфа, заполнить таблицу «Агрегатные состояния вещества»:

Состояние вещества

Основные свойства

Расположение частиц

Пример (можно рисунок): жидкость, газ и твёрдое тело

Раздел 2. Молекулярная физика. Тепловые явления.

Тема: «Уравнение состояния идеального газа. Газовые законы».

Цель урока: выяснить механизм давления идеального газа и его зависимость от микропараметров

Тип урока: изучение нового материала

План урока

Контроль знаний	25 мин.	1. Закон Гей-Люссака. 2. Закон Шарля. 3. Закон Бойля-Мариотта. 4. Графики изопроцесса
Демонстрации	3 мин.	1. Модель давления газа. 2. Фрагмент кинофильма «Молекулы и молекулярное движение»
Изучение нового материала	40 мин.	1. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа. 2. Связь давления со средней кинетической энергией молекул 3. Изопрцессы
Закрепление изученного материала	22 мин.	1. Тренируемся решать задачи. 2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа

Основная задача молекулярно-кинетической теории газа заключается в том, чтобы установить соотношение между давлением газа и его микроскопическими параметрами - массой молекул, их средней скоростью и концентрацией. Это соотношение называется основным уравнением молекулярно-кинетической теории газа.

Поскольку давление газа на стенку сосуда обусловлено ударами молекул, давление газа пропорционально концентрации молекул n: чем больше молекул в единице объема, тем больше ударов молекул о стенку за единицу времени. Каждая молекула при ударе о стенку передает ей импульс, пропорциональный импульсу молекулы, равном по модулю m0, где - модуль скорости молекулы. Поэтому можно было бы ожидать, что давление пропорционально nm0, где - среднее значение модуля скорости молекул.

Однако, на самом деле давление пропорционально не первой, а второй степени скорости, так как, чем больше скорость молекулы, тем чаще она бьется о стенку сосуда. И действительно, расчеты показывают, что основное уравнение молекулярно-кинетической теории идеального газа имеет вид:

где m0 - масса одной молекулы газа, n - концентрация молекул, 2 - среднее значение квадрата скорости молекул.

Коэффициент 1/3 обусловлен трехмерностью пространства - тем, что во время хаотического движения молекул все три направления равноправны.

Итак, немецкий физик Г. Клаузиус выяснил, что давление идеального газа прямо пропорционально концентрации частиц, массы частицы и среднего значения квадрата скорости частицы.

Полученное уравнение связывает макроскопическую величину - давление,- что может быть измерено манометром, с микроскопическими величинами, характеризующими молекулы, и является как бы мостиком между двумя мирами: макроскопическим и микроскопическим.

2. Связь давления со средней кинетической энергией молекулы

Если через обозначить среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы, то уравнение Клапейрона можно записать в виде:

Давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы В этой формуле концентрация частиц характеризует число ударов молекул о поршень, а средняя кинетическая энергия молекул определяет интенсивность одного удара.

Изопроцессы

Состояние данной массы газа определяется тремя макроскопическими параметрами - давлением р, объемом V и температурой Т. Однако, многие процессы в газах, происходящие в природе или осуществляются в технике, можно рассматривать (приближенно) как процессы, в которых изменяются лишь два из них. Особое значение в физике и технике имеют, так называемые, изопроцеси.

Изопроцессами называют процессы, происходящие с данной массой газа, при постоянном значение одного из трех параметров - давления, объема или температуры.

Изопроцес - это идеализированная модель реального процесса, которая только приближенно отражает действительность.

Изобарный процесс

Изменение объема и температуры газа при постоянном давлении называется изобарным процессом.

Вовремя изобарного процесса объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре: V/T = const при р = const. Это соотношение называют законом Гей-Люссака в честь французского ученого, который открыл его в начале 19-го века.

Закон Гей-Люссака позволяет связать значения объема и температуры данной массы газа в двух различных состояниях, если давление газа в обоих состояниях одинаков. Обозначим V1 и Т1 значения объема и температуры газа в состоянии 1, a V2 и Т2 - в состоянии 2. Тогда из соотношения V/T = const, получаем или иначе:

Во время изобарного процесса объем данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуре.

Соотношение между объемом данной массы газа и абсолютной температурой при постоянном давлении изображена графически на рисунке.

Этот график называют изобарой. Он показывает, что при постоянном давлении объем газа прямо пропорционален его абсолютной температуре.

Изохорный процесс

Изменение давления и температуры газа с постоянным объемом, называют изохорным процессом.

Опыт показывает: если нагревать газ с постоянным объемом, давление газа будет увеличиваться прямо пропорционально абсолютной температуре. Это означает, что при изохорном процессе давление газа прямо пропорционален его абсолютной температуры:

Зависимость давления газа от температуры была исследована в конце 18-го века французским ученым Шарлем, поэтому такое соотношение называют законом Шарля.

При изохорном процессе давление данной массы газа прямо пропорционален его абсолютной температуры.

График зависимости р(Т) при V = const называют изохорою.

Этот график показывает, что с постоянным объемом давление газа прямо пропорционален его абсолютной температуры.

Изотермический процесс

Изменение давления и объема газа при постоянной температуре называют изотермическим процессом.

Опыт показывает: если сжимать газ при постоянной температуре, давление возрастает обратно пропорционально объему. Это означает, что во время изотермического процесса давление газа обратно пропорционален его объему: pV = const при Т= const.

Это соотношение было обнаружено во время опыта во второй половине 17-го века английским ученым Бойлем и французским ученым Мариоттом, поэтому его называют законом Бойля - Мариотта.

Во время изотермического процесса давление данной массы газа обратно пропорционален его объему.

График зависимости p(V) при Т = const называют изотермой.

Этот график показывает, что при постоянной температуре давление газа обратно пропорционально его объему.

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. Каков механизм возникновения давления газа с точки зрения молекулярно-кинетической теории строения вещества?

2. Почему можно считать, что молекулы в газе движутся только вдоль трех взаимно перпендикулярных направлений?

3. В каких слоях атмосферы воздух по своим свойствам приближается к идеальному газу: у поверхности Земли или на далеких высотах?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Тренируемся решать задачи

Кислород находится в нормальных условиях. Вычислите среднюю квадратичную скорость молекул газа.

Решение

При нормальных условиях давление кислорода равна 1,01·105 Па, а плотность - 1,43 кг/м3. Считая, что концентрация газа n =N/V, можно записать:

Отсюда получаем:

Проверив единицы величин и выполнив расчеты, получаем = 460 м/с.

2. Определите кинетическую энергию хаотического поступательного движения всех молекул любого газа в баллоне объемом 5 л с давлением 1 МПа.

3. Чему равна средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул аргона, если 2 кг его, находясь в сосуде объемом 2 м3, оказывают давление 3·105 Па?

2). Контрольные вопросы

1. Каким образом в основном уравнении молекулярно-кинетической теории мы получили множитель 1/3?

2. Почему молекула при столкновении со стенкой сосуда действует на нее с силой, пропорциональной скорости, а давление пропорционально квадрату скорости?

3. Как средняя кинетическая энергия молекул зависит от концентрации газа и его давления на стенки сосуда?

Что мы узнали на уроке:

• Давление идеального газа прямо пропорционально концентрации частиц, массе частицы и среднему значению квадрата скорости частицы.

• Давление идеального газа пропорционально произведению концентрации молекул на среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекулы:

Домашнее задание

1. Конспект.

2. Решите задачи:

г1): 1. Как изменится давление газа, если концентрация его молекул увеличится в 3 раза, а средняя квадратичная скорость молекул уменьшится в 3 раза?

2. Под каким давлением находится газ в сосуде, если средняя квадратичная скорость его молекул 103 м/с, концентрация молекул 3·1025 м-3, а масса каждой молекулы 5·10-26 кг?

3. Определите среднюю кинетическую энергию поступательного движения молекул газа с давлением 105 Па. Концентрация молекул газа 2,7·1025 м-3.

р2): 1. Определите плотность кислорода, находящегося под давлением 1,3·105 Па. Средняя квадратичная скорость молекул 1,4·103 м/с.

2. Какое давление на стенки сосуда оказывают молекулы газа, если масса газа 3 г, объем 5·10-4 м3, средняя квадратичная скорость молекул 500 м/с?

3. Какова средняя квадратичная скорость движения молекул газа, который занимает объем 5 м3 с давлением 2·105 Па и имеет массу 6 кг?

Г3): 1. Давление углекислого газа, если в баллоне объемом 40 л содержится 5·1024 молекул, а средняя квадратичная скорость молекул 400 м/с?

2. Определите кинетическую энергию хаотического поступательного движения всех молекул любого газа в баллоне объемом 10 л и давлением 4·105 Па.

3. Часть стенки сосуда покрыли клеем, что поглощает все падающие молекулы газа. Изменится ли давление газа на этот участок стенки? Обоснуйте свой ответ.

Раздел 2. Молекулярная физика. Тепловые явления.

Тема: «Решение задач».

Цель урока: закрепить знания студентов об уравнении состояния идеального газа; познакомить студентов с методом поэлементного решения задач; повторить, углубить и закрепить знания студентов о газовые законы при решении графических задач

Тип урока: закрепление знаний

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ УРОКА

Усвоению и закреплению знаний при решении задач на графики изопроцесса помогает качественный подбор графических задач. В зависимости от уровня подготовки класса, Преподаватель должен подобрать такие задачи, чтобы ученикам было интересно работать на уроке. Ниже приводится примерный перечень заданий, из которых Преподаватель может выбрать необходимые для данного урока.

Большую методическую ценность имеют графические задачи. Рекомендуется решать задачи с применением изображений изопроцесса в различных координатных осях (pV, рТ и VT); анализировать явления, изображаемые замкнутыми циклами, состоящими из перечисленных изопроцесса; изображать на координатной плоскости совокупность кривых одинаковых процессов газа и анализировать условия перехода газа из одного равновесного состояния в другое, которые соответствуют различным кривым.

ЗАДАЧИ ДЛЯ РЕШЕНИЯ ВО ВРЕМЯ УРОКА

1. Как менялось давление идеального газа в ходе процесса, график которого изображен на рисунке? Укажите точки на графике, соответствующие показателям наибольшего и наименьшего давления.

Решение

Проведем через разные точки графика изобары (см. рис.). Наибольшему давлению соответствует самая низкая изобара, поэтому наибольшее давление достигается в нижней точке соприкосновения В.

Наименьшее давление соответствует верхней точке А. Во время перехода от точки А к точке В давление газа возрастает, а при переходе от точки В к точке А давление снижается.

2. Постройте графики процесса, происходящего с идеальным газом (см. рис.), в координатах V, Т и р, V. Масса газа постоянна.

Решение

Прежде чем строить графики, нужно выяснить, что собой представляет каждый этап замкнутого процесса, происходящего с газом. (Пользуясь газовыми законами, можно сделать вывод и дать характеристику изменения объема газа на каждом из этапов.) Этап 1-2 - изотермическое расширение (температура постоянна, давление уменьшается), этап 2-3 - изобарне охлаждения (давление постоянный, температура уменьшается), этап 3-1 - изохорне нагрева (давление увеличивается прямо пропорционально абсолютной температуре газа).

Этап 1-2: Т = const, p - приходит, V - возрастает (пропорционально 1/г). Этап 2-3: Т - приходит, р = const, V - падает (пропорционально Т). Этап 3-1: Т - растет, p - растет (пропорционально Т), V = const. При построении графиков в координатах V, Т I p, V следует учитывать, что эти графики должны быть замкнутыми (см. рис.).

3. Идеальный газ переведен из состояния 1 в состояние 2 (см. рис.). Где газ данной массы имел больший объем: в точке 1 или в точке 2?

4. Идеальный газ переведен из состояния 1 в состояние 2 (см. рис.). Увеличивался или уменьшался давление газа данной массы в течение процесса 1-2?

5. Два баллона, имеющих объемы 6 л и 14 л, содержащих газы с давлением, соответственно 8 МПа и 5 МПа при одинаковой температуры. Баллоны соединены трубкой с краном. Какое давление образуется в баллонах, если открыть кран? Температура не меняется, газы в химическую реакцию не вступают.

Решение

Согласно уравнению Менделеева Клапейрона Здесь n1 и n2 - количество вещества соответственно в первом и втором баллонах, n - общее количество вещества. Поскольку n = n1 + n2, получаем отсюда

Из этого уравнения находим, что давление газов 5,9 МПа.

6. Сколько молекул воздуха выходит из комнаты объемом 120 м3 при повышении температуры от 15 °С до 25 °С? Атмосферное давление 105 Па.

7. Плотность определенной газообразного вещества 2,5 кг/м3 при температуре 10 °С и при нормальном атмосферном давлении. Найдите молярную массу этого вещества.

8. Из автомобильной шины через небольшое отверстие выходит воздух. Насколько повысилась температура шины во время движения автомобиля, если после истечения 10 % воздуха, давление в шине не изменился, а начальная температура 10 °С.

9. Цилиндрический сосуд длиной 85 см делят на две части тонким подвижным поршнем. Каким будет равновесное положение поршня, когда в одну часть сосуда наполнены определенным количеством кислорода, а другую - с такой же массой - количеством водорода?

10. Чтобы воздушный шар мог поднять Винни-Пуха, объем шара должен быть не менее V = 25 м3. Какая масса т Винни-Пуха, если воздушный шар, наполненный воздухом при температуре t1 = 30 °С, а температура наружного воздуха t0 = 7 °С? Давление воздуха внутри шара считайте равным атмосферному; массой оболочки воздушного шара можно пренебречь.

Домашнее задание

1. Конспект.

2. Решите задачи.

p1): 1. Какова температура 1,6·10^-2 кг кислорода, находящегося под давлением 10⁶ Па, что занимает объем 1,6·10^-3 м³?

2. Сосуд емкостью 2·10-3 м3 наполнен азотом под давлением 2·10⁵ Па при температуре 27 °С. Определите массу азота.

3. Определите давление воздуха в сосуде объемом 2·10-3 м3, если его масса 1,2·10-2 кг, а температура 27 °С.

4. Объем определенной массы водорода при температуре 50 °С и с давлением 0,98·105 Па равна 2,5·10-3 м3. Какой объем водорода при 0 °С и давлением 105 Па?

р2): 1. Какова разница в массе воздуха, заполняющего помещение объемом 50 м3, зимой и летом, если летом температура помещения достигает 40 °С, а зимой падает до 0 °С?

2. Сколько молекул воздуха выходит из комнаты объемом 120 м3 при повышении температуры от 15 °С до 25 °С? Атмосферное давление 105 Па.

3. Объем газа с давлением 720 кПа и температурой 288 равен 0,6 м3. По какой температуры объем той же массы газа будет 1,6 м3, если давление станет 225 кПа?

4. Какое давление должен выдерживать газовый баллон объемом 50 л, чтобы при температуре 25 °С в нем можно было хранить 2 кг метана?

Г3): 1. Закрытая емкость заполнена водой при температуре 17 °С. Каким стало бы давление внутри сосуда, если бы взаимодействие между молекулами воды внезапно исчезла?

2. Тонкий подвижный поршень делит горизонтальную цилиндрическую емкость на две части. Какое будет положение равновесия поршня, если в одной части сосуда находится азот, а в другой - водород такой же массы? Длина сосуда 90 см.

3. Горизонтальный цилиндрический сосуд разделен подвижным поршнем на две части: в одной части находится водород, а в другой - азот. Масса какого газа больше и во сколько раз, если поршень находится точно в середине сосуда?

4. Посередине открытой с обоих концов горизонтальной стеклянной трубки длиной 87 см находится столбик ртути длиной 15 см. Закрыв одно из отверстий трубки, ее располагают вертикально, закрытым концом вниз. Найдите атмосферное давление, если столбик ртути переместился относительно трубки на 6 см.

р2): 1. На рисунке изображены две изобары для и той же массы газа (рис. а). Сравните давление р1 и р2.

2. На рисунке изображены две изохоры для той же массы газа (рис. б). Сравните объемы V1 и V2.

3. Сравните температуру данной массы газа в состояниях 1 и 2 (рис. в).

Г3): 1. Постройте графики процесса, происходящего с идеальным газом (рис. а), в координатах p, V и р, Т. Масса газа постоянна.

2. Постройте графики процесса, происходящего с идеальным газом (рис. б), в координатах V, Т и р, V. Масса газа постоянна.

3. В каких состояниях температура газа во время циклического процесса (рис. в) максимальная? минимальная? Во сколько раз отличается максимальная абсолютная температура от минимальной?

Раздел 2. Молекулярная физика. Тепловые явления.

Тема: «Взаимные превращения жидкостей и газов».

Цель урока: повторить и углубить знания учащихся о испарение и конденсацию; познакомить с понятием «насыщенного и ненасыщенного пара»; дать понятие о влажности воздуха и способах ее измерения

Тип урока: комбинированный урок

План урока

Контроль знаний	35 мин.	Фронтальный опрос по теме: «Газовые законы. Уравнение состояния идеального газа»
Демонстрации	5 мин.	1. Зависимость скорости испарения от площади свободной поверхности; температуры; движения воздуха. 2. Охлаждение жидкости при испарении. 3. Кипение воды при пониженном давлении. 4. Влажность. 5. Точка росы. 6. Способы определения влажности воздуха.
Изучение нового материала	25 мин.	1. Парообразования. 2. Молекулярная картина испарения. 3. Кипения. 4. Насыщенный и ненасыщенный пар.
Закрепление изученного материала	25 мин.	1. Тренируемся решать задачи. 2. Контрольные вопросы.

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Парообразования

Процесс превращения жидкости в пар называется парообразованием. Если парообразование происходит со свободной поверхности жидкости, называется испарением. Испарение происходит при любой температуре: например, вода постепенно «выветривается» из любой открытой емкости.

От каких же факторов зависит скорость испарения? Проделав ряд опытов и проанализировав их результаты с студентами, можно сделать вывод, что скорость испарения зависит:

а) от температуры жидкости;

б) от рода жидкости;

в) от величины свободной поверхности жидкости;

г) от скорости удаления паров с поверхности жидкости.

Наблюдения и опыты показывают, что испаряются и твердые тела. Испаряется, например, лед, поэтому белье высыхает и на морозе. Испаряется нафталин, поэтому мы чувствуем его запах. Этот процесс называют сублимацией.

Одновременно с испарением происходит переход молекул из пара в жидкость (конденсация). Как правило, конденсация происходит на поверхности жидкости или твердого тела, или же требует наличия в газе центров конденсации. их роль играют различные примеси или пылинки. Конденсация пара сопровождается выделением энергии. Пара конденсата объясняет образование облаков, выпадение росы.

2. Молекулярная картина испарения

Среди молекул жидкости всегда есть молекулы, кинетическая энергия которых достаточна для того, чтобы, преодолев притяжение других молекул и вылететь из жидкости. Именно по этой причине и происходит испарение. А поскольку жидкость покидают самые быстрые молекулы, средняя кинетическая энергия молекул, что остались, уменьшается. Вот почему жидкость при испарении охлаждается.

3. Кипения

Учащиеся должны четко представлять, что общего между кипением и испарением, и в чем заключается существенное различие между ними. Кипения, как и испарение - это парообразование. Испарение происходит с поверхности жидкости при любой температуре и с любым внешним давлением; а кипение - это парообразование во всем объеме жидкости по характерной для каждого вещества температуры, которая зависит от внешнего давления.

Кипение - это интенсивный переход жидкости в пар, который выдувается во время образования пузырьков пара во всем объеме жидкости при определенной температуре.

Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения. Во время кипения температура жидкости не меняется. Каждое вещество имеет свою температуру кипения. Чтобы температура испарения жидкости не менялась, к жидкости необходимо подводить определенное количество теплоты. Для характеристики энергетических затрат на испарение жидкостей вводится понятие удельной теплоты парообразования.

Удельная теплота парообразования L численно равна количеству теплоты, необходимой для того, чтобы обратить в пар 1 кг жидкости при неизменной температуре:

Если жидкость сначала нужно нагреть до температуры кипения, а затем превратить в пар, то общее количество теплоты равно:

Насыщенная и ненасыщенный пар

Лужи после дождя за ветреные погоды сохнут быстрее, чем при той же температуре в безветрие. Это доказывает следующее: для испарения жидкости нужно, чтобы пара, которая образуется, исчезала.

Если испарение происходит в закрытом сосуде, то через некоторое время количество жидкости в сосуде прекратит уменьшаться, хотя быстрые молекулы будут переходить в пар. Это происходит потому, что одновременно с испарением в сосуде происходит конденсация.

Если уровень жидкости не меняется, это означает, что оба процесса идут с одинаковой скоростью, то есть за каждую секунду жидкость покидает в среднем столько же молекул, сколько их переходит из пара в жидкость. В этом случае говорят, что жидкость и пар находятся в динамическом равновесии.

Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром.

Именно такая пара находится над поверхностью жидкости в закрытом сосуде. Если процесс испарения идет быстрее процесс конденсации, говорят, что над жидкостью находится ненасичена пара. Если воздух из сосуда, в которой находится жидкость, предварительно откачан, то над поверхностью жидкости будет находиться только насыщенный пар.

4. Влажность

В воздухе всегда содержится некоторое количество водяного пара. В отличие от водяного пара, воздух является необходимым условием существования жизни на Земле. Как же оценить степень влажности воздуха? Такая оценка особенно важна, например, для составления прогноза погоды.

Чтобы осуществить анализ степени влажности воздуха, важно знать, насколько водяной пар, находящийся в нем, отличается, от состояния насыщения. Например, давление водяного пара (комнатной температуры) составляет около 2 % от обычного атмосферного давления.

Давление ненасыщенного пара меньше давление насыщенного. Поэтому степень «насыщенности» водяного пара можно толковать как отношение давления водяного пара к давлению насыщенного пара при той же температуре. Эта величина, выраженная в процентах, называется относительной влажностью и обозначается ф., следовательно, относительной влажностью воздуха φ называют отношение давления водяного пара при данной температуре г до давления, насыщенного пара pн с той же температурой.

Обычно комфортные условия для человека соответствуют влажности около 50 - 60 %.

5. Точка росы

Если количество водяного пара в воздухе не меняется, то с понижением температуры относительная влажность возрастает, в этот момент, водяной пар ближе к насыщению. Снижением температуры относительную влажность можно довести до 100 %, не изменяя количества пара, которая содержится в ней. При дальнейшем снижении температуры влажность уже не увеличивается, а часть водяного пара конденсируется. Появляется туман, выпадает роса. Температуру, при которой водяной пар становится насыщенным, называют точкой росы. Теперь ученикам станет понятно, почему туманы чаще бывают утром, и почему роса выпадает утром, когда воздух ночью охолони.

Температуру, при которой водяной пар становится насыщенным, называют точкой росы.

6. Способы определения влажности воздуха

Влажность измеряют с помощью специальных приборов, один из которых называется психрометром. Психрометр состоит из двух термометров: сухого и влажного. За испарения воды влажный термометр обычно показывает более низкую температуру, чем сухой: чем ниже относительная влажность, тем больше разница показателей. С их учетом, с помощью заранее составленной таблицы определяют относительную влажность воздуха.

Современные психрометры можно разделить натри категории: станционные, аспирационные и дистанционные. В станционных психрометрах термометры закреплены на специальном штативе в метеорологической будке. Основной недостаток станционных психрометров - зависимость показаний увлажненного термометра от скорости воздушного потока в будке.

В аспирационном психрометре термометры расположены в специальной оправе, защищающей их от повреждений и теплового воздействия прямых солнечных лучей, где обдуваются с помощью аспиратора (вентилятора) потоком исследуемого воздуха с постоянной скоростью около 2 м/с. Если температура воздуха положительная, аспирационный психрометр - наиболее надежный прибор для измерения температуры и влажности воздуха. В дистанционных психрометрах используются термометры сопротивления, терморезисторы, термопары.

Гигрометр - измерительный прибор для определения влажности воздуха. Существует несколько типов гигрометров, действие которых основано на различных принципах: весовой, волосяной, пленочный и т.д.

Действие волосяного гигрометра основано на свойстве обезжиренного волоса изменять свою длину при изменении влажности воздуха, что позволяет измерять относительную влажность от 30 до 100 %. Волос натянута на металлическую рамку. Изменение длины волоса передается стрелке, которая перемещается вдоль пікали.

Пленочный гигрометр имеет чувствительный элемент из органической пленки, которая растягивается при повышении влажности и сжимается при понижении. Изменение положения центра пленочной мембраны передается стрелке. Волосяной и пленочный гигрометр в зимнее время являются основным прибором для измерения влажности воздуха. Показатели волосяного и пленочного гигрометров периодически сравниваются с показаниями более точного прибора - психрометра.

Вопрос к ученикам во время изложения нового материала

1. Почему испарение жидкости происходит при любой температуре?

2. Как можно объяснить, что при одних условиях одни жидкости испаряются быстрее, другие - медленнее?

3. Какие явления природы объясняются конденсацией пара? Приведите примеры.

4. Какие явления наблюдаются в жидкости перед тем, как жидкость начинает кипеть?

5. Откуда берутся в жидкости «быстрые» молекулы?

6. Чем отличается насыщенный пар от ненасыщенного?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Тренируемся решать задачи

1. Кружка с водой плавает в кастрюле, стоящей на огне. Или закипит вода в кружке?

2. Объясните:

а) сходство между насыщенным паром и идеальным газом;

б) разницу между ними.

3. Как объяснить, что динамическое равновесие в различные жидкости наступает при разных температурах?

4. Какое количество теплоты необходимо затратить, чтобы нагреть 5 кг воды от 0 °С до кипения и испарить ее?

5. В колбе находилась вода с 0 °С. Выкачивая из колбы воздух, заморозили всю воду с помощью собственного испарения. Какая часть воды при этом испарилась?

6. Какова относительная влажность воздуха при t = 20 °С, если точка росы t = 15 °С?

Решение

Давление водяного пара одинаковый с давлением насыщенного пара при 15 °С (Можно считать, что при охлаждении давление пара практически не меняется). Тогда относительная влажность воздуха где рн - давление насыщенного пара при 20 °С.

7. При какой температуре выпадет роса, если термометры психрометра показывали 20 °С и 17 °С?

Решение

В соответствии с показаниями психрометра, температура воздуха 20 °С, а относительная влажность 74 %. Плотность водяного пара при 20 °С равна 17,3 г/м3; следовательно, плотность водяного пара в воздухе:

Роса выпадет за температуры, при которой водяной пар с такой плотностью является насыщенной, то есть при температуре 15 °С.

8. Какова относительная влажность воздуха при температуре 20 °С, если давление водяного пара 840 Па? Давление водяных паров при этой температуре 2,33 кПа.

2). Контрольные вопросы

1. Если накрыть банку крышкой, то уровень воды в ней не будет снижаться. Означает ли это, что крышка «останавливает» испарение воды?

2. Почему вы чувствуете холод, исходя из реки после купания?

3. Почему горячий чай остынет гораздо быстрее, если его перелить из стакана в маленькую тарелку?

4. Почему ожог паром опаснее за ожог кипятком?

5. Что такое кипение? Чем оно отличается от испарения? Что общего в этих про

6. Где легче стерпеть жару за 30 °С человека: в Петербурге или в Средней Азии?

7. Влияет ли ветер на показания мокрого термометра? Сухого? Термометры находятся в тени.

8. Какое явление наблюдается при температуре, которая равна или ниже точки росы?

Что мы узнали на уроке

• Процесс превращения жидкости в пар называется парообразованием. Если парообразование происходит со свободной поверхности жидкости, называется испарением.

• Процесс перехода молекул из пара в жидкость называют конденсацией.

• Кипение - это интенсивный переход жидкости в пар, который происходит при образовании пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.

• Удельная теплота парообразования L численно равна количеству теплоты, необходимой для того, чтобы обратить в пар 1 кг жидкости при неизменной температуры.

• Пар, находящийся в динамическом равновесии со своей жидкостью, называют насыщенным паром.

• Относительной влажностью воздуха φ называют отношение давления водяного пара при данной температуре г к давлению насыщенного пара рн с той же температурой:

• Температуру, при которой водяной пар становится насыщенным, называют точкой росы.

• Влажность измеряют с помощью специальных приборов: психрометра и гигрометра.

Домашнее задание

1. Конспект.

2. Решить задачи:

г1): 1. Какое значение имеет для организма выделение пота?

2. Какое количество теплоты потребуется, чтобы испарить 20 г воды, взятой при температуре кипения (с нормальным атмосферным давлением)?

3. Домохозяйка забыла снять с плиты чайник с кипящей водой. Какое количество теплоты передано воде, если выкипела вода массой 0,5 кг?

4. Какое количество теплоты выделяется в результате конденсации 50 г водяного пара при температуре 100 °С?

р2): 1. Почему наблюдать конденсацию пара значительно легче испарения жидкости?

2. Один стакан доверху заполнена горячим чаем, а вторая - горячим бульоном с такой же температурой. Какая из жидкостей остынет быстрее? Почему?

3. В калориметре находится вода массой 500 г при температуре 20 °С. Сколько пара с температурой 100 °С нужно впустить в калориметр, чтобы повысить температуру до 40 °С?

4. В калориметре находится вода массой 300 г при температуре 30 °С. Сколько пара с температурой 100 °С нужно впустить в калориметр, чтобы повысить температуру до 60 °С?

5.Давление водяного пара при температуре 25 °С равна 3,2 кПа. Какова относительная влажность воздуха, если давление водяного пара в воздухе при этой температуре равна 2,4 кПа?

Раздел 2. Молекулярная физика. Тепловые явления.

Тема: «Твердые тела».

Цель урока: повторить и углубить знания студентов о твердых телах; дать понятие о кристаллических и аморфных тел.

Тип урока: комбинированный урок

План урока

Контроль знаний

35 мин.

Фронтальный опрос по теме: «Взаимные превращения жидкостей и газов»

Изучение нового материала

35 мин.

1. Кристаллические тела

2. Аморфные тела

Закрепление изученного материала

20 мин.

1. Тренируемся решать задачи.

2. Контрольные вопросы.

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Твердые тела отличаются постоянством формы и объема и делятся на кристаллические и аморфные.

1. Кристаллические тела

Кристаллические тела (кристаллы)- это твердые тела, атомы или молекулы которых занимают упорядоченные положения в пространстве.

Частицы кристаллических тел образуют в пространстве правильную кристаллическую пространственную решетку.

Каждому химическому веществу, находящемуся в кристаллическом состоянии, соответствует определенная кристаллическая решетка, которая задает физические свойства кристалла.
Много лет назад в Петербурге на одном из неотапливаемых складов лежали большие запасы белых оловянных блестящих пуговиц. И вдруг они начали темнеть, терять блеск и рассыпаться в порошок. За несколько дней горы пуговиц превратились в груду серого порошка. "Оловянная чума" - так к прозвали эту «болезнь» белого олова.

А это была всего лишь перестройка порядка атомов в кристаллах олова. Олово, переходя из белой разновидности в серую, рассыпается в порошок.

И белое и серое олово — это кристаллы олова, но при низкой температуре изменяется их кристаллическая структура, а в результате меняются физические свойства вещества.
Кристаллы могут иметь различную форму и ограничены плоскими гранями.

В природе существуют:

а) монокристаллы - это одиночные однородные кристаллы, имеющие форму правильных многоугольников и обладающие непрерывной кристаллической решеткой

Монокристаллы поваренной соли.

б) поликристаллы - это кристаллические тела, сросшиеся из мелких, хаотически расположенных кристаллов
Большинство твердых тел имеет поликристаллическую структуру (металлы, камни, песок, сахар).

Поликристаллы висмута.

Анизотропия кристаллов

В кристаллах наблюдается анизотропия - зависимость физических свойств (механической прочности, электропроводности, теплопроводности, преломления и поглощения света, дифракции и др.) от направления внутри кристалла.

Анизотропия наблюдается в основном в монокристаллах.

В поликристаллах (например, в большом куске металла) анизотропия в обычном состоянии не проявляется.

Поликристаллы состоят из большого количества мелких кристаллических зерен. Хотя каждый из них обладает анизотропией, но за счет беспорядочности их расположения поликристаллическое тело в целом утрачивает анизотропию.

Любое кристаллическое вещество плавится и кристаллизуется при строго определенной температуре плавления: железо — при 1530°, олово — при 232°, кварц — при 1713°, ртуть— при минус 38°.

Нарушить порядок расположения в кристалле частицы могут, только если он начал плавиться.

Пока есть порядок частиц, есть кристаллическая решетка - существует кристалл. Нарушился строй частиц - значит, кристалл расплавился - превратился в жидкость, или испарился - перешел в пар.

2. Аморфные тела

Аморфные тела не имеют строгого порядка в расположении атомов и молекул (стекло, смола, янтарь, канифоль).

В аморфных телах наблюдается изотропия - их физические свойства одинаковы по всем направлениям.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства (при ударах раскалываются на куски как твердые тела) и текучесть (при длительном воздействии текут как жидкости).

При низких температурах аморфные тела по своим свойствам напоминают твердые тела, а при высоких температурах - подобны очень вязким жидкостям.

Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления, а значит, и температуры кристаллизации.
При нагревании они постепенно размягчаются.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями.

Интересно!
Одно и то же вещество может встречаться и в кристаллическом и в некристаллическом виде.

В жидком расплаве вещества частицы движутся совершенно беспорядочно.

Если, например, расплавить сахар:

Если расплав застывает медленно, спокойно, то частицы собираются в ровные ряды и образуются кристаллы. Так получается сахарный песок или кусковой сахар.

Если остывание происходит очень быстро, то частицы не успевают построиться правильными рядами и расплав затвердевает некристаллическим. Так, если вылить расплавленный сахар в холодную воду или на очень холодное блюдце, образуется сахарный леденец, некристаллический сахар.

Удивительно!

С течением времени некристаллическое вещество может «переродиться», или, точнее, закристаллизоваться, частицы в них собираются в правильные ряды.

Только срок для разных веществ различен: для сахара это несколько месяцев, а для камня — миллионы лет.

Пусть леденец полежит спокойно месяца два-три. Он покроется рыхлой корочкой.

Посмотрите на нее в лупу: это мелкие кристаллики сахара. В некристаллическом сахаре начался рост кристаллов. Подождите еще несколько месяцев — и уже не только корочка, но и весь леденец закристаллизуется.

Даже наше обыкновенное оконное стекло может закристаллизоваться. Очень старое стекло становится иногда совершенно мутным, потому что в нем образуется масса мелких непрозрачных кристаллов.

На стекольных заводах иногда в печи образуется «козел», то есть глыба кристаллического стекла. Это кристаллическое стекло очень прочное. Легче разрушить печь, чем выбить из нее упрямого «козла».

Исследовав его, ученые создали новый очень прочный материал из стекла - ситалл. Это стеклокристаллический материал, полученный в результате объёмной кристаллизации стекла.
Любопытно!

Могут существовать разные кристаллические формы одного и того же вещества.
Например, углерод.

Графит - это кристаллический углерод. Из графита сделаны стержни карандашей, которые оставляют след на бумаге при легком надавливании. Структура графита слоиста. Слои графита легко сдвигаются, поэтому чешуйки графита пристают к бумаге при письме.
Но существует и другая форма кристаллического углерода — алмаз.

Так расположены атомы углерода в кристалле графита (слева) и алмаза (справа).
Алмаз — самый твердый на земле минерал.

Алмазом режут стекло и распиливают камни, применяют для бурения глубинных скважинах, полируют сверхтвердые сплавы, алмазы необходимы для производства тончайшей металлической проволоки диаметром до тысячных долей миллиметра, например, вольфрамовых нитей для электроламп.

Домашнее задание

1. Конспект.

2. Решить задачи:

1.Дать характеристику веществам в жидком состоянии.

2. Найти число молекул в 20 кг ртути.

3.Дать характеристику веществам в твёрдом состоянии.

4. Вычислите среднюю скорость движения молекул кислорода при давлении 5·10⁵ Па.

5.Чему равна атомная масса платины?

6. Чему равна средняя кинетическая энергия движения молекул в 3м³ при давлении 7·10⁵ Па, если в сосуде находится 10²¹ молекул?

7. На что указывает число Авогадро?

8. Определить массу 2,7·10²⁵молекул углекислого газа.

9. Записать и объяснить основное уравнение МКТ.

10. Масса одного атома водорода равна 1,6·10¯²⁷ кг. Вычислите молярную массу этого газа.

11. Почему твёрдые тела сохраняют свою форму?

12. Какова масса 15 моль ацетилена (С₂Н₂)?

13. Каким способом можно ускорить процесс засолки огурцов?

14. Определить концентрацию молекул идеального газа, при давлении 10⁵Па и средней кинетической энергией движения его молекул 5,6·10¯²⁷ Дж.

15. Определить среднюю кинетическую энергию идеального газа, если в сосуде вместимостью 10 литров, содержится 6·10²³ молекул, давление газа 10⁵Па.

Раздел 2. Молекулярная физика. Тепловые явления.

Тема: «Самостоятельная работа».

Тип урока: закрепление знаний

Начальный уровень

На рисунке построен график зависимости давления данной массы идеального газа от объема.

А. Участок 1-2 соответствует изотермическом процесса.

Б. 2-3 соответствует изохорному процесса.

В. 3-4 соответствует изохорному процесса.

Г 4-1 соответствует изотермическом процесса.

Средний уровень

Идеальный газ переведен из состояния 1 в состояние 2.

A. Давление газа в состоянии 1 и давление газа в состоянии 2 одинаковые (p1 = р2).

Б. Давление газа сначала увеличивался, затем уменьшался.

B. Давление газа сначала уменьшался, затем увеличивался.

Г. Давление газа в состоянии 1 больше давление газа в состоянии 2 (р1 > р2).

Достаточный уровень

Задача 3 имеет целью установить соответствие (логическая пара). К каждой строке, отмеченного буквой, подберите формулу, обозначенную цифрой.

A. При изобарному процессе...	1. ... отношение давления данной массы газа к его абсолютной температуре остается постоянным
Б. При изохорном процессе...	2. ... отношение объема данной массы газа к его абсолютной температуре остается постоянным
В. При изотермическом процессе...	3. ... отношение давления данной массы газа на его объем остается постоянным
Г. Для данной массы газа...	4. ... произведение давления газа на его объем, разделен на абсолютную температуру газа, есть величина постоянная
	5. ... при одинаковых температуре и давлении в равных объемах различных газов содержится одинаковое количество молекул

Тест

1. На поверхности Венеры температура и давление соответственно равны 750 К и 9100 кПа. Найдите плотность атмосферы у поверхности планеты, считая, что она состоит из углекислого газа.

2. Найти число молекул в 2кг углекислого газа.

3. Записать основное уравнение МКТ.

4. Какова концентрация газа, если в сосуде объёмом 2 литра находится 0,35 моля газа?

5. Чему равна относительная молекулярная масса золота?

6. Определить концентрацию 0,5 моля идеального газа, занимающего объём 3,5·10¯³ м³.

7. Чему равна молярная масса серебра?

8. Какова средняя скорость движения молекул газа массой 4 кг, объёмом 3м³при давлении 150 кПа?

9.Чему равна относительная молекулярная масса железа?

10. Каково давление воздуха, если средняя скорость его молекул 450м/с?

11.Чему равна относительная молекулярная масса фтора?

12.Каково давление азота, если средняя скорость его молекул 500м/с?

13.Чему равна относительная молекулярная масса аргона?

14. Скорость движения молекул газа 400м/с, а плотность газа 1,5кг/м³. Определить давление газа, если это скорость средняя.

15. Из основного уравнения МКТ вывести среднюю кинетическую энергию.

16. Плотность газа 1,3кг/м³, а средняя скорость движения его молекул 500м/с. Какое давление оказывает газ на стенки сосуда?

17.Из основного уравнения МКТ вывести концентрацию газа.

18. Определить концентрацию молекул в баллоне, если объём баллона равен 3·10¯³ м³, при этом в нём находится 2 моля газа.

19. Записать основное уравнение МКТ.

20. Сколько молей составляет 25 литров воды?

21. Определить молярную массу гафния.

22. Определить число молекул водорода в 1 м³, если давление равно 2·10⁵Па, а средняя скорость его молекул 2400 м/с.

23. Чему равна относительная молекулярная масса воды?

24. Средняя скорость молекул 650м/с. Какое давление на стенки сосуда производят молекулы газа, если масса газа 12г, объём 1,3л.

25. Какое давление на стенки сосуда производят молекулы газа, если масса газа 3г. Объём 0,5л, а средняя скорость молекул 500м/с?

26. Определить среднюю кинетическую энергию движения молекул газа, если масса молекулы 5,3·10¯²⁶ кг, а средняя скорость движения молекул 460м/с.

27. Найти число молекул в 1,5 кг аргона.

28. Определить число молекул азота в 2 м³, если давление равно 10⁵ Па, а а средняя скорость его молекул 1800м/с.

29. Определить среднюю скорость движения молекул кислорода, если давление газа равно 1,2·10⁵ Па.

30. Определить объём газа при нормальном давлении, если масса газа равна 1 кг, а средняя скорость движения молекул 400м/с.

Раздел 2. Молекулярная физика. Тепловые явления.

Тема: «Основы термодинамики».

Цели урока:

Образовательная: Ввести понятие термодинамических величин.

Развивающая: Развивать память, воображение, догадку и сообразительность, логическое и творческое мышление.

Задачи урока:

1. Способствовать формированию и развитию умений применять законы физики для объяснения процессов, протекающих в окружающем мире, доказывать и обосновывать свою точку зрения.

2. Способствовать развитию речи, мышления, сенсорной (восприятие внешнего мира через органы чувств) сферы личности

3. Способствовать формированию и развитию коммуникативных навыков и навыков сотрудничества в процессе работы в группах.

4. Способствовать формированию самооценки и критического мышления.

Тип урока: Комбинированный урок.

Ход урока

ВСЕСТОРОННЯЯ ПРОВЕРКА ЗНАНИЙ. работа на повторение с терминами и формулами.

Термины

Формулы

1.Основные положения МКТ (сформулировать)

2.Дать определение идеального газа.

3.Дать определение температуры

4.Назвать макропараметры

5.Что называют изопроцессом?

6.Назвать газовые законы.

N=m|?N_a

P=?nm₀v²

?=N|V

P=2|3n?

E=3|2?T

P=?kT

pv=?RT

Перечислите основные параметры состояния вещества соотнесите определения, обозначения и единицы измерения:

параметры

определения

обозначение

Единицы измерения

1.Температура

2.Давление

3. Объем

1.Представляет собой силу, действующею по нормали к поверхности тела и отнесенную к единице площади этой поверхности.

2. Величина обратная плотности т.е. отношения объема, занятого веществом к его массе

3.Определяет направление возможного самопроизвольного перехода тепла между телами

Па

m³

Цель нашего сегодняшнего урока.

Повторить полученные знания по этой теме, обобщить их, найти им применение при решении некоторых интересных задач. Для этого нужны не только ваши знания, но и ваши любознательность, наблюдательность, а главное желание думать.

ПОДГОТОВКА К АКТИВНОМУ УСВОЕНИЮ.

Тепловые явления в физике изучаются с двух точек зрения. Это термодинамической и молекулярно- кинетической. они противоречат и дополняют друг друга.

Термины

определения

1.Термодинамика

2.Молекулярно – кинетическая теория

1. опирается на небольшое число фундаментальных законов, справедливых всегда и для всех макроскопических тел

2.для каждого конкретного тела создает модель его молекулярного состояния и из этой модели методами математической статистики (ввиду большого числа молекул) выводит конкретные свойства данного вещества.

ОБЪЯСНЕНИЕ ТЕМЫ

Определение: Термодинамика – наука о закономерностях превращения энергии.

Определение: Термодинамической системой называется совокупность

материальных тел, взаимодействующих, как между собой, так и с окружающей средой.

Из курса физики 8 класса мы знаем, что внутренняя энергия тела – сумма кинетической энергии хаотического теплового движения частиц (атомов или молекул) тела и потенциальной энергии их взаимодействия.

Все макроскопические тела обладают энергией – внутренней. От чего же она зависит?

Под внутренней энергией (U) понимается вся энергия системы (тела). Что именно входит во внутреннюю энергию системы?

Поскольку состояние термодинамической системы (например, газа) определяется величинами m, μ, V, T (давление P само определяется этими же величинами), то от них должна зависеть и внутренняя энергия U.

- внутренняя энергия данной массы идеального газа зависит лишь от одного макроскопического параметра – термодинамической температуры

Способы изменения внутренней энергии идеального газа. Ставим перед студентами проблемный в о п р о с: как можно изменить внутреннюю энергию тела?

Чтобы ответить на него, выполняем ряд опытов:

нагреваем небольшое количество воды в пробирке, закрытой плотно пробкой;

потерли ладони друг о друга, монетку прижали к столу и подвигали по столу.

Студенты делают вывод: внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами:

совершением механической работы;

путем теплопередачи

Значит основные величины термодинамики внутренняя энергия, количество теплоты и работа.

Следовательно, А и Q – характеристики процесса изменения (U) внутренней энергии

Количество теплоты Q – часть внутренней энергии, переданной в процессе теплообмена от одного макроскопического тела к другому без совершения работы

Работа в термодинамике А перемещение частей макроскопического тела относительно друг друга

Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает: количество энергии неизменно, она только переходит из одной формы в другую.

Первый закон термодинамики является обобщением закона сохранения и превращения энергии для термодинамической системы

U энергии системы при переходе её из одного состояния в другое равно сумме А внешних сил и Q, переданного системе: U =А + Q

Значит основные величины термодинамики внутренняя энергия, количество теплоты и работа.

4.ЗАКРЕПЛЕНИЕ ТЕМЫ

Работа с диаграммой – смотрите документ.

Итоговый тест по вариантам – смотрите документ

РЕФЛЕКСИЯ

Что нового узнали?

С какими трудностями столкнулись?

Ему вы учились?

Что тебе пригодится и далее?

Домашнее задание:

творческая работа “Тепловые параметры в природе.” (презентация)

Цель: используя справочные данные, дайте оценку термодинамическим параметрам, а окружающем вас мире.

Цель нашего сегодняшнего урока.

Работа с диаграммой

Раздел 2. Молекулярная физика. Тепловые явления.

Тема: «Второй закон термодинамики. КПД тепловых двигателей».

Цель урока: разъяснить принцип действия теплового двигателя.

Задачи урока:

Образовательные: познакомить студентов с видами тепловых двигателей, развивать умение определять КПД тепловых двигателей, раскрыть роль и значение ТД в современной цивилизации; обобщить и расширить знания студентов по экологическим проблемам.

Развивающие: развивать внимание и речь,

Воспитательные: воспитывать у студентов чувство ответственности перед последующими поколениями, в связи с чем, рассмотреть вопрос о влиянии тепловых двигателей на окружающую среду.

Тип урока: урок изучения нового материала.

Ход урока

1. Организационный момент

2. Организация внимания студентов

3. Актуализация опорных знаний

Прежде чем перейти к изучению нового материала предлагаю проверить как вы к этому готовы.

Фронтальный опрос:

– Дайте формулировку первого закона термодинамики. (Изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количество теплоты, переданное системе. U=A+Q)

– Может ли газ нагреться или охладиться без теплообмена с окружающей средой?

Как это происходит? (При адиабатических процессах.)

– Напишите первый закон термодинамики в следующих случаях: а) теплообмен между телами в калориметре; б) нагрев воды на спиртовке; в) нагрев тела при ударе. (а) А=0, Q=0, U=0; б) А=0, U= Q; в) Q=0, U=А)

– На рисунке изображен цикл, совершаемый идеальным газом определенной массы. Изобразить этот цикл на графиках р(Т) и Т(р). На каких участках цикла газ выделяет теплоту и на каких – поглощает?

(На участках 3-4 и 2-3 газ выделяет некоторое количество теплоты, а на участках 1-2 и 4-1 теплота поглощается газом.)

Вопросы для физического диктанта

Что понимают под внутренней энергией?

Какими способами можно изменить внутреннюю энергию?

Назовите способы теплопередачи

По какой формуле вычисляют внутреннюю энергию идеального газа?

По какой формуле вычисляют работу газа в термодинамике?

Запишите формулу и сформулируйте 1 закон термодинамики.

Сформулируйте закон сохранения энергии в тепловых процессах.

Какой процесс называют необратимым?

Сформулируйте второй закон термодинамики.

4. Изучение нового материала

1. Применение первого закона термодинамике к различным процессам.

Работа и количество теплоты – характеристики процессов, при которых меняется внутренняя энергия системы. Согласно первому закону термодинамики изменение внутренней энергии системы при переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного при этом системе: ΔU = A + Q (или Q = ΔU + A´ ). Применение 1 закона термодинамики к различным процессам:

изотермический процесс (температура Т не меняется), внутренняя энергия газа не меняется, т.е. ΔU = 0, и Q = A´ (если газ получает тепло, то он совершает положительную работу. т.е A´ больше нуля, и наоборот)

изохорный процесс (объем V не меняется), работа не совершается, т.е. A=0 и ΔU =Q (если газ нагревается, то внутренняя энергия увеличивается, и наоборот)

изобарный процесс (давление Р не меняется), и передаваемое системе количество теплоты идет на изменение внутренней энергии системы и совершение работы, т.е. Q = ΔU + A´

адиабатный процесс, т.е. процессе, протекающем в системе, которая не обменивается теплом с окружающими телами Q = 0 и ΔU = A.

2. Необратимость процессов в природе. Второй закон термодинамики.

Закон сохранения энергии утверждает, что количество энергии при любых ее превращениях остается неизменным. Но он ничего не говорит о том, какие энергетические превращения возможны. Между тем многие процессы, вполне допустимые с точки зрения закона сохранения энергии, никогда не протекают в действительности.

Примеры необратимых процессов. Нагретые тела постепенно остывают, передавая твою энергию более холодным окружающим телам. Обратный процесс передачи теплоты от холодного тела к горячему не противоречит закону сохранения энергии, но такой процесс никогда не наблюдался.

Другой пример. Колебания маятника, выведенного из положения равновесия, затухают (рис. 49; 1, 2, 3, 4 – последовательные положения маятника при максимальных отклонениях от положения равновесия). За счет работы сил трения механическая энергии убывает, а температура маятника и окружающего воздуха (а значит, и их внутренняя энергия) слегка повышается. Энергетически допустим и обратный процесс, когда амплитуда колебаний маятника увеличивается за счет охлаждения самого маятника и окружающей среды. Но такой процесс никогда не наблюдался. Механическая энергия самопроизвольно переходит во внутреннюю, но не наоборот. При этом упорядоченное движение тела как целого превращается в не упорядоченное тепловое движение слагающих его молекул.

Затухающие колебания маятника

Общее заключение о необратимости процессов в природе. Переход теплоты от горячего тела к холодному и механической энергии во внутреннюю – это примеры наиболее типичных необратимых процессов. Число подобных примеров можно увеличить практически неограниченно. Все они говорят о том, что процессы в природе имеют определенную направленность, никак не отраженную в первом законе термодинамики. Все макроскопические процессы в природе протекают только в одном определенном направлении. В обратном направлении они самопроизвольно протекать не могут. Все процессы в природе необратимы, и самые трагические из них старение и смерть организмов.

Точная формулировка понятия необратимого процесса. Для правильного понимания существа необратимости процессов необходимо сделать следующее уточнение. Необратимым называется такой процесс, обратный которому может протекать только как одно из звеньев более сложного процесса. Так, можно вновь увеличить размах колебаний маятника, подтолкнув его рукой. Но это увеличение возникает не само собой, а становится возможным в результате более сложного процесса, включающего движение руки.

Можно в принципе перевести теплоту от холодного тела к горячему. Но для этого нужна холодильная установка, потребляющая энергию.

Кино «наоборот». Яркой иллюстрацией необратимости явлений в природе служит просмотр кинофильма в обратном направлении. Например, прыжок в воду будет при этом выглядеть следующим образом. Спокойная вода в бассейне начинает бурлить, появляются ноги, стремительно движущиеся вверх, а затем и весь ныряльщик. Поверхность воды быстро успокаивается. Постепенно скорость ныряльщика уменьшается, и вот уже он спокойно стоит на вышке. То, что мы видим на экране, могло бы происходить в действительности, если бы процессы можно было обратить. «Нелепость» происходящего проистекает из того, что мы привыкли к определенной направленности процессов и не сомневаемся в невозможности их обратного течения. А ведь такой процесс, как вознесение ныряльщика на вышку из воды, не противоречит ни закону сохранения энергии, ни законам механики, ни вообще каким-либо законам, кроме второго закона термодинамики.

Второй закон термодинамики. Второй закон термодинамики указывает направление возможных энергетических превращений и тем самым выражает необратимость процессов в природе. Он был установлен путем непосредственного обобщения опытных фактов.

Есть несколько формулировок второго закона, которые, несмотря на внешнее различие, выражают, в сущности, одно и то же и поэтому равноценны.

Немецкий ученый Р. Клаузиус сформулировал этот закон так: невозможно перевести тепло от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или в окружающих телах.

Здесь констатируется опытный факт определенной направленности теплопередачи: теплота сама собой переходит всегда от горячих тел к холодным. Правда, в холодильных установках осуществляется теплопередача от холодного тела к более теплому, но эта передача связана с «другими изменениями в окружающих телах»: охлаждение достигается за счет работы.

Важность этого закона состоит в том, что из него можно вывести заключение о необратимости не только процесса теплопередачи, но и других процессов в природе. Если бы теплота, в каких-либо случаях могла самопроизвольно передаваться от холодных тел к горячим, то это позволило бы сделать обратимыми и другие процессы. В частности, позволило бы создать двигатели, полностью превращающие внутреннюю энергию в механическую.

3. КПД тепловых двигателей

Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу.

Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)

Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую энергию.

Рассмотрим устройство и принцип работы теплового двигателя. Тепловая машина работает циклично.

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

КПД замкнутого цикла

Q₁– количество теплоты, полученное от нагревания Q₁> Q₂

Q₂– количество теплоты, отданное холодильнику Q ₂<Q ₁

A^{/ =} Q ₁– |Q ₂| – работа, совершаемая двигателем за цикл? < 1.

Цикл C. Карно

T₁– температура нагревания.

Т₂– температура холодильника.

– не зависит от Q, р, V топлива.

– является функцией только двух температур.

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80 % всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. Газовые турбины широко используются в ракетах, в железнодорожном и автомобильном транспорте.

На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах – турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.

(Показ видеофрагментов работы турбореактивного двигателя.)

Рассмотрим более подробно работу двигателя внутреннего сгорания. Просмотр видеофрагмента.

Работа четырехтактного ДВС.
1 такт: впуск.
2 такт: сжатие.
3 такт: рабочий ход.
4 такт: выпуск.

• Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2 клапана (впуск и выпуск), свеча. •

Мертвые точки – крайнее положение поршня.
Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%

Паровая турбина – 40%

Газовая турбина – 25-30%

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%

Дизельный двигатель – 40– 44%

Реактивный двигатель – 25%

Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

Неуклонный рост энергетических мощностей – все большее распространение укрощенного огня – приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. Это не может не приводить к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц – сажи, пепла, измельченного топлива, что приводит к увеличению “парникового эффекта”, обусловленного повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы.

Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива – оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена.

Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом.

Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличения эффективности использования энергии, экономии ее на производстве и в быту.

Альтернативные двигатели:

1. Электрические

2. Двигатели, работающие на энергии солнца и ветра Пути решения экологических проблем:

Использование альтернативного топлива.

Использование альтернативных двигателей.

Оздоровление окружающей среды.

Воспитание экологической культуры.

5. Закрепление материала

Всем вам предстоит всего лишь через год сдавать единый государственный экзамен. Предлагаю вам решить несколько задач из части А демоверсии по физике за 2009 год. Задание вы найдете на рабочих столах ваших компьютеров.

6. Подведение итогов урока

С момента, когда была построена первая паровая машина, до настоящего времени прошло более 240 лет. За это время тепловые машины сильно изменили содержание жизнь человека. Именно применение этих машин позволило человечеству шагнуть в космос, раскрыть тайны морских глубин.

Выставляет оценки за работу на уроке.

7. Домашнее задание: § 82 (Мякишев Г.Я.), упр. 15 (11, 12

Раздел 2. Молекулярная физика. Тепловые явления.

Тема: «Контрольная работа».

Тип урока: закрепление знаний

Ход урока

1. Организационный момент

2. Выполнение контрольной работы

3. Тест для закрепления материала

(Тест получает каждый студент)

1. Какие устройства относятся к тепловым двигателям:

а) превращающие тепловую энергию в механическую;

б) электрическую энергию в тепловую;

в) внутреннюю энергию в тепловую

2. Какой элемент теплового двигателя совершает работу:

а) холодильник;

б) газ или пар;

в) нагреватель;

3. Какие условия необходимы для циклического получения механической работы в тепловом двигателе:

а) наличие нагревателя и холодильника;

б) наличие рабочего тела и холодильника;

в) наличие нагревателя и рабочего тела

4.Коэффициент полезного действия теплового двигателя:

а) отношение времени полезной работы ко времени, затраченному на техническое обслуживание и ремонт;

б) отношение механической работы, совершаемой двигателем, к количеству теплоты, полученному от нагревателя;

в) отношение температуры нагревателя к температуре охладителя.

5. КПД теплового двигателя всегда:

а) больше1;

б) равен 1;

в) меньше 1.

6.Для приближения КПД теплового двигателя, работающего по циклу Карно, к единице, необходимо:

а) повышать температуру нагревателя и понижать температуру холодильника;

б) повышать температуру холодильника и понижать температуру нагревателя;
в) повышать температуру холодильника и нагревателя;

г) понижать температуру холодильника и нагревателя;

д) стремиться сделать равной температуру холодильника.

7. Термодинамика позволяет при известной температуре. Т₁ источника тепла (нагревателя) и температуре Т₂ приемника тепла (холодильника) ...

а) ...рассчитать КПД любого теплового двигателя.

б) ...оценить максимальный КПД любого теплового двигателя.

в) ...оценить минимальный КПД любого теплового двигателя...

г) ...определить конструкцию двигателя с КПД 100%.

Эталоны ответов:1А, 2Б, 3В, 4В, 5 В, 6 А, 7Б.

Решение расчетных задач

Задачи.

Найти КПД теплового двигателя, если газ получает от нагревателя 200 Дж теплоты и отдает холодильнику 135 Дж.

Чему равен КПД теплового двигателя, если температура нагревателя 800^оС, а температура холодильника 25^оС?

Оцените максимальное значение КПД, которое может иметь тепловая машина с температурой нагревателя 727 ^оС и температурой холодильника 27 ^оС.

Каков КПД теплового двигателя, если рабочее тело, получив от нагревателя количество теплоты 1,6 МДж, совершило работу 400 кДж? Какое количество теплоты передано холодильнику?

Чему равен КПД идеального теплового двигателя, если температура нагревателя 500⁰ С, а температура холодильника 20⁰ С?

Температура нагревателя 150⁰ С, а холодильника 20⁰ С. От нагревателя получено 10⁵кДж количества теплоты. Определить работу, произведенную машиной, если считать ее идеальной.

1 вариант.

1.Чему равна внутренняя энергия 5 моль одноатомного идеального газа при температуре 27 ^°С?

2. Газ, расширяясь изобарно при давлении 2·10⁵ Па, совершил работу 200 Дж. Определить первоначальный объем, если конечный объем равен 2,5 л.

3. Вычислить увеличение внутренней энергии идеального одноатомного газа массой 0,5 кг при изохорном повышении температуры на 15 К (с=920 Дж/кг·^°С).

4. Чему равен КПД идеального теплового двигателя, если температура нагревателя 455^°С, а холодильника 273^°С.

2 вариант

1.Чему равна внутренняя энергия всех молекул идеального одноатомного газа, имеющего объем 10 м³ при давлении 5·10⁵Па?

2.В цилиндре объемом 20 л. находится газ, который изобарно расширяется под давлением 5·10⁵ Па. Каков конечный объем газа, если при его расширении совершается работа 2 кДж?

3. Для изобарного нагревания газа на 300 К ему сообщили количество теплоты 5,4 МДж. Газ совершил работу 99·10⁴ Дж. Найти изменение внутренней энергии?

4. Определить КПД теплового двигателя, если количество теплоты, полученное от нагревателя равно 500 Дж, а количество теплоты, отданное холодильнику равно 400 Дж?

3 вариант

1.Как изменится внутренняя энергия 400 г гелия при увеличении температуры на 20^°С?

2. Какую работу совершит воздух, расширяясь изобарно при давлении 2·10⁵Па, еслинагреть его до 290 К? Первоначальный объем равен 15 л, а его температура 0^°С.

3. При изохорном охлаждении внутренняя энергия уменьшилась на 500 Дж. Совершил ли газ работу и чему равно отданное количество теплоты?

4. Определить КПД идеального теплового двигателя, если температура нагревателя равна 400 К, а температура холодильника равна 300 К?

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема. Электрический заряд и элементарные частицы. Закон Кулона.

Цель урока: ознакомить студентов с электрическими взаимодействиями; разъяснить им физический смысл закона сохранения заряда и закона Кулона.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Демонстрации

10 мин.

1. Взаимодействие наэлектризованных тел.

2. Закон Кулона

Изучение нового материала

45 мин.

1. Электрические взаимодействия.

2. Закон сохранения электрического заряда.

3. Закон Кулона

Закрепление изученного материала

35 мин.

1. Качественные вопросы.

2. Учимся решать задачи

1. ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Электрические взаимодействия

Первые шаги к разгадке природы электричества были сделаны во время изучения электрических разрядов, которые возникают между разноименно заряженными телами. Такие разряды напоминают крошечную молнию.

Для того чтобы понять появление всех этих искр, ознакомимся с одним из электрических явлений. Возьмем пластмассовый гребешок или авторучку и проведем ею несколько раз по сухим волосам или шерстяному свитеру. Как не странно, но после такого простого действия пластмасса приобретет нового свойства: начнет притягивать мелкие кусочки бумаги, другие легкие предметы и даже тонкие струйки воды.

Из выполненных опытов и наблюдений можно сделать вывод:

Явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела, называют электризацией.

В XVII веке немецкий ученый Отто фон Генрике обнаружил, что электрическое взаимодействие может быть не только притяжениям, но и отталкиванием. В начале XVIII века французский ученый Шарль Дюфе объяснил притяжение и отталкивание наэлектризованных тел существованием двух типов электрических зарядов:

Если тела имеют электрические заряды того же типа, они отталкиваются, а если разных типов, то притягиваются.

Тела, имеющие способность к электрическим взаимодействиям, называют наэлектризованными. Если наэлектризованное тело, говорят, что оно имеет электрический заряд.

Электрический заряд - это физическая величина, характеризующая интенсивность электромагнитных взаимодействий тел или частиц.

Заряды разных типов назвали положительными и отрицательными. Электрический заряд наэлектризованной стеклянной палочки, потертой о шелк, назвали положительным, а заряд эбонитовые палочки, потертой о мех, - отрицательным.

Тела, не имеющие электрического заряда, называют незаряженными, или электрически нейтральными. Но иногда и такие тела обладают способностью к электрическим взаимодействиям.

2. Закон сохранения электрического заряда

Во время электризации тело потеряло часть своих электронов, заряжается положительно, а тело приобрело лишних электронов - отрицательно. Общее же количество электронов в этих телах остается неизменной.

При электризации тел выполняется очень важный закон - закон сохранения заряда:

В электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остается неизменной.

Этот закон не утверждает, что суммарные заряды всех положительно заряженных и всех отрицательно заряженных частиц должны каждый отдельно храниться. Во время ионизации атома в системе образуются две частицы: положительно заряженный ион и отрицательно заряженный электрон. Суммарные положительный и отрицательный заряды при этом увеличиваются, же полный электрический заряд остается неизменным. Нетрудно увидеть, что всегда сохраняется разница между общим числом всех положительных и отрицательных зарядов.

Закон сохранения электрического заряда выполняется и тогда, когда заряженные частицы испытывают превращения. Так, во время столкновения двух нейтральных (не имеют электрического заряда) частиц могут рождаться заряженные частицы, однако алгебраическая сумма зарядов порожденных частиц при этом равна нулю: вместе с положительно заряженными частицами рождаются и отрицательно заряженные.

3. Закон Кулона

Французский ученый Шарль Кулон исследовал, как зависит сила взаимодействия между заряженными телами от значений зарядов тел и от расстояния между ними. В своих опытах Кулон не учитывал размеры тел, которые взаимодействуют.

Заряд, помещенный на теле, размеры которого малы по сравнению с расстояниями до других тел, с которыми оно взаимодействует, называют точечным зарядом.

Закон Кулона, открытый 1785 p., количественно описывает взаимодействие заряженных тел. Он является фундаментальным законом, то есть установленный с помощью эксперимента и не вытекает ни из какого другого закона природы.

Неподвижные точечные заряды q1 и q2 взаимодействуют в вакууме с силой F, прямо пропорциональной модулям зарядов и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между зарядами:

Значение коэффициента пропорциональности k зависит от выбора системы единиц.

Единица электрического заряда в СИ названа в честь Кулона - это 1 кулон (Кл).

Коэффициент пропорциональности k в законе Кулона численно равна k = 9·109 Н·м2/Кл2. Физический смысл этого коэффициента заключается вот в чем: два точечных заряда по 1 Кл каждый, находятся на расстоянии 1 м друг от друга, взаимодействуют с силой, равной 9·109 Н.

2. ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Как можно определить, заряженные тела?

2. В каких случаях заряженные тела притягиваются, а в каких - отталкиваются?

3. При каких условиях выполняется закон сохранения электрического заряда?

4. От чего зависит электрическая сила взаимодействия заряженных тел?

5. В чем сходство и различие закона всемирного тяготения и закона Кулона?

Второй уровень

1. Почему притяжение кусочков бумаги натертым расческой нельзя объяснить действием сил тяжести, упругости и веса?

2. Зависит ли сила электрического взаимодействия от расстояния между заряженными телами? Подтвердите ваш ответ примером.

3. С помощью какого опыта можно проиллюстрировать закон сохранения электрического заряда?

4. Как изменится сила кулоновского взаимодействия двух точечных зарядов при увеличении каждого заряда в 3 раза, если расстояние между ними уменьшить в 2 раза?

3. ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Как взаимодействуют между собой:

а) две эбонитовые палочки, натертые мехом;

б) эбонитовая палочка, натертая мехом, и стеклянная палочка, натертая шелком?

2. Можно ли наэлектризовать эбонитовую палочку трением о эбонитовую пластинку?

3. Две одинаковые металлические шарики, заряженные равными по модулю, но разноименными зарядами. После соприкосновения шариков их вернули в первоначальное положение. Во сколько раз изменилась сила взаимодействия?

4. Две одинаковые металлические шарики с зарядами q и 3q расположены на расстоянии, которое намного превышает радиусы шариков. После соприкосновения шариков их вернули в первоначальное положение. Во сколько раз изменилась сила электрического взаимодействия между шариками?

2). Учимся решать задачи

1. Почему электрическое отталкивание обнаружили почти через две тысячи лет после того, как было обнаружено притяжения?

Решение

Два тела испытывают электрического притяжения, если заряжен только одно из тел, причем зарядом любого знака. А электрическое отталкивание проявляет себя только тогда, когда оба тела заряжены, причем обязательно одноименно.

2. Когда с первой капельки миллиард электронов переместили на вторую, между ними возникла сила электрического взаимодействия. Сколько электронов необходимо переместить с первой капельки на вторую, чтобы эта сила увеличилась в 4 раза?

3. На каком расстоянии находятся друг от друга точечные заряды 4 и 6 нКл, если сила их взаимодействия равна 6 мН?

4. Сколько электронов надо «перенести» с одной пылинки на другую, чтобы сила кулоновского притяжения между порошинками на расстоянии 1 см равна 10 мкН? (Ответ: 2,1·109)

5. Заряды двух одинаковых маленьких металлических шариков равны q1 = -2 нКл и q2 = 10 нКл. После соприкосновения шариков их развели на предыдущую расстояние. Во сколько раз изменился модуль силы взаимодействия между ними?

Решение

Пусть расстояние между шариками равна r. Тогда модуль силы взаимодействия между ними изменился от к Здесь q - заряд каждого из шариков после соприкосновения. Согласно закону сохранения заряда 2q = q1 + q2.Следовательно,

Ответ: уменьшился в 1,25 раза.

6. На шелковой нитке висят два заряженных шарика массой 20 мг каждая (см. рисунок). Модули зарядов шариков 1,2 нКл. Расстояние между шариками 1 см. Чему равна сила натяжения нити в точках А и В? Рассмотрите случаи одноименных и разноименных зарядов. (Ответ: сила натяжения нити в точке А равна 0,39 мН; В точке В для одноименных зарядов 0,33 мН, а для разноименных - 66 мкН.)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Явления, в которых тела приобретают свойства притягивать другие тела, называют электризацией.

В электрически изолированной системе тел алгебраическая сумма зарядов всех тел остается неизменной:

Домашнее задание

1. Оценить студентов.

2. Подр.: § 83 – 88

3. Упр. 16 № 3, 4.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема. Электрическое поле. Напряженность, потенциал, два вида диэлектриков.

Цель урока: сформировать представление студентов об электрическом поле и его свойства; дать понятие о напряженности электрического поля.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Фронтальный опрос по предыдущей теме

20 мин.

1. Взаимодействие наэлектризованных тел.

2. Закон Кулона

3. Электрические взаимодействия.

4. Закон сохранения электрического заряда.

5. Как можно определить, заряженные тела?

6. В каких случаях заряженные тела притягиваются, а в каких - отталкиваются?

7. При каких условиях выполняется закон сохранения электрического заряда?

8. От чего зависит электрическая сила взаимодействия заряженных тел?

9. В чем сходство и различие закона всемирного тяготения и закона Кулона?

Изучение нового материала

45 мин.

1. Электрическое поле.

2. Напряженность электрического поля.

3. Напряженность поля точечного заряда.

4. Принцип суперпозиции.

5. Линии напряженности.

6. Вещество в электрическом поле

7. Потенциал. Потенциальная энергия.

8. Два вида диэлектриков.

Закрепление изученного материала

25 мин.

1. Качественные вопросы.

2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Электрическое поле

В основе всех физических явлений лежит взаимодействие между телами или частицами, участвующих в этих явлениях. Механическое воздействие тел друг на друга происходит либо в случае непосредственного соприкосновения тел, или при наличии между ними какого-либо материального посредника. Так, во время удара двух шаров осуществляется непосредственный контакт обоих тел, взаимодействующих, а во время буксировки одного автомобиля другим действие одного автомобиля на другой передается через третье тело - трос. Земля движется вокруг Солнца за то, что взаимодействует с ним через гравитационное поле.

Во всех случаях, когда между двумя телами нет контакта, можно обнаружить такое «третье тело», которое, будучи посредником, передает действие от одного тела к другому, причем с конечной скоростью.

Например, действие тела, что издает звук, на барабанную перепонку уха передается через воздух со скоростью звука. Другое дело - взаимодействие электрических зарядов. Заряженные тела действуют друг на друга, хотя на первый взгляд нет никакого посредника между ними.

Согласно предположение английского ученого М. Фарадея вокруг заряженных тел существует среда, с помощью которого и осуществляется электрическое взаимодействие. Пространство, окружающее один заряд, влияет на пространство, окружающее другой заряд, и наоборот. Посредником в этом взаимодействии и является электрическое поле:

Каждое заряженное тело создает электрическое поле, действующее на другие заряженные тела.

До Фарадея считали, что материя существует только в форме вещества, а взаимодействие между телами, которые состоят из этого вещества, происходит только во время непосредственного контакта или через пространство без какого-либо «посредника» (например, с помощью сил тяготения). Фарадей же предположил, что существует другая форма материи - поле, причем поле является посредником при взаимодействии тел.

Таким образом, электрическое поле - это форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами.

Главное свойство электрического поля заключается в его способности действовать на электрические заряды с некоторой силой.

Чем больше электрический заряд тела, тем сильнее электрическое поле создает вокруг себя это тело. Способность электрического поля действовать на заряд позволяет ввести количественную характеристику электрического поля.

2. Напряженность электрического поля

Если поочередно помещать в одну и ту же точку поля небольшие заряженные тела и измерять силы, действующие на них со стороны поля, то окажется, что силы, прямо пропорциональны величинам зарядов. Отношение силы к заряду F/q остается постоянным, не зависит от модуля заряда и характеризует только электрическое поле в той точке, где находится заряд. Эту характеристику называют напряженностью электрического поля.

Отношение силы , действующей со стороны электрического поля на точечный пробный заряд q, помещенный в эту точку поля, к этому заряду называется напряженностью электрического поля в этой точке:

Напряженность поля в единицах СИ выражают: [Е] = Н/Кл.

Чтобы полностью охарактеризовать электрическое поле, надо задать его напряженность в каждой точке пространства. Тогда силу 1, что действует на произвольный заряд qt, который находится в этой точке, можно найти по формуле 1 = q1, где - напряженность поля в этой точке.

3. Напряженность поля точечного заряда

Модуль напряженности поля в этой точке найдем с помощью закона Кулона. На заряд q, находящийся на расстоянии r от заряда Q, действует сила Поскольку модуль напряженности поля E = F/q, получаем, что модуль напряженности поля точечного заряда

4. Принцип суперпозиции

Опыт показывает, что если пробный заряд находится в поле, созданном несколькими зарядами, то каждый из них действует на пробный заряд независимо от других. В этом состоит принцип суперпозиции полей:

Напряженность электрического поля системы N зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из них в отдельности:

5. Линии напряженности

Электрическое поле не действует на органы чувств. Его мы не видим не чувствуем. Однако распределение поля в пространстве можно сделать видимым. Для этого введем своеобразную графическую модель электрического поля - линии напряженности.

Воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением напряженности электрического поля, называются силовыми линиями, или линиями напряженности электрического поля.

Чтобы охарактеризовать не только направление, но и модуль напряженности поля в разных точках, силовые линии проводят так, что густота силовых линий пропорциональна модулю напряженности. В таком случае силовые линии являются непрерывными, следовательно, начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных зарядах.

Силовые линии электрического поля не пересекаются (если бы они пересекались, то в точке их пересечения направление напряженности поля не был бы определен).

За направление напряженности поля принимают направление силы, действующей на положительный заряд.

Стоит обратить внимание студентов на то, что линии напряженности лишь помогают наглядно представить распределение поля в пространстве и является не более реальными, чем меридианы и параллели на земном шаре.

6. Вещество в электрическом поле

В некоторых веществах есть заряженные частицы, которые могут свободно перемещаться в веществе. Такие частицы называют свободными зарядами, а вещества, содержащие свободные заряды, называют проводниками.

Как только проводник попадает в электрическое поле, то под влиянием сил, действующих на свободные электроны со стороны этого поля, они начинают двигаться упорядоченно в направлении, противоположном напряженности поля. Этот процесс перераспределения зарядов в проводнике протекает почти мгновенно. При этом одна сторона проводника заряжается отрицательно (избыток электронов), а другая - положительно (недостаток электронов). Эти заряды создают поле, напряженность которого противоположна напряженности внешнего поля.

Это поле увеличивается за напряженностью до тех пор, пока его не компенсирует внешнее поле, и, следовательно, напряженность суммарного поля внутри объема проводника не будет равна нулю. Дальнейшее увеличение заряда на концах проводника тоже прекращается. Это явление получило название электростатической индукции.

Явление электростатической индукции заключается в том, что на концах проводника возникают разноименные заряды в равных количествах, а напряженность поля внутри проводника равна нулю.

Если проводник заряжен, то его свободные заряды распределятся таким образом, чтобы электрическое поле внутри проводника стало равным нулю, потому что и в этом случае свободные заряды будут перемещаться в проводнике до тех пор, пока поле внутри проводника не исчезнет.

Расчеты и опыты показывают, что статический электрический заряд всегда расположен на поверхности проводника, как в случае заряженного, так и в случае незаряженного проводника.

Отсутствие электрического поля и зарядов внутри проводника используют для создания так называемого электростатического защиты. Поскольку заряды на проводнике располагаются на его поверхности, распределение зарядов будет одинаковым для сплошного и полого проводников, например, для шара и сферы такого же радиуса. Следовательно, поле внутри проводящей сферы или любой другой замкнутой участка, окруженной проводником, равна нулю. Поэтому чувствительные к электрическому полю приборы размещают в металлических ящиках.

Электростатическая защита используют и для того, чтобы защитить людей, которые работают с устройствами, находящихся в сильном электрическом поле (металлической сеткой окружают рабочее пространство).

Вещества, в которых свободные заряды отсутствуют, называют диэлектриками.

Диэлектриками являются газы и жидкости. Среди твердых тел наиболее распространенные диэлектрики - это стекло, пластмассы, резина.

В диэлектриках электроны прочно связаны со своими молекулами (или атомами).

В молекулах некоторых веществ центры распределения положительных и отрицательных зарядов не совпадают. Такие диэлектрики называют полярными, потому что в их молекулы есть как бы два «полюса» зарядов - положительный и отрицательный.

Диэлектрики, в молекулах которых центры распределения положительных и отрицательных зарядов совпадают, называются неполярными.

Под действием электрического поля положительные и отрицательные заряды в молекуле «растаскиваются» в противоположные стороны. В результате центры распределения положительных и отрицательных зарядов молекулы перестают

совпадать: у нее, так же, как и в молекуле полярного диэлектрика, появляются положительный и отрицательный полюса».

Под действием электрического поля молекулы как полярных, так и неполярных диэлектриков «выстраиваются» в аналогичный способ - вдоль внешнего электрического поля. Это явление называется поляризацией диэлектрика. При этом внутри диэлектрика положительный и отрицательный заряды компенсируются, но на его поверхности появляются заряды. Эти заряды называют связанными, поскольку они обусловлены перераспределением заряда только внутри молекул (а не во всем образце, как это происходит во время движения свободных зарядов в проводнике).

Напряженность «внутреннего» поля, которое возникло в результате поляризации диэлектрика, направлена противоположно напряженности внешнего электрического поля. В результате модуль напряженности результирующего поля уменьшается. Таким образом,

вследствие поляризации диэлектрика электростатическое поле внутри диэлектрика уменьшается.

Величина, которая показывает, во сколько раз уменьшается электрическое поле внутри однородного диэлектрика, называется диэлектрической проницаемостью и обозначается ε.

В результате уменьшения электрического поля уменьшается и сила взаимодействия заряженных тел, погруженных в диэлектрик, потому что их взаимодействие осуществляется посредством поля. Например, для зарядов, находящихся в однородном диэлектрике с диэлектрической проницаемостью ε, закон Кулона приобретает такого вида:

7. Потенциал электрического поля

Потенциальность поля

Важным свойством электрического поля, как поля не имеющего вихрей и созданного одними неподвижными источниками, является его потенциальность.

Электрическое поле называется потенциальным, если работа, которую совершает носитель заряда в таком поле, при перемещении его по любому замкнутому контуру равняется нулю.

Гравитационное поле силы тяжести также является потенциальным. Если поднять груз определенной массы на некоторую высоту, а затем опустить его обратно на поверхность Земли, в прежнюю точку, то полная механическая работа будет также равна нулю. Причем, совершенно не важно по какой траектории осуществлялся подъем и спуск груза. Источником такого гравитационного поля является в этом примере Земля (тело с массой во много раз большей чем масса поднимаемого груза).

Электростатическое поле, то есть такое поле, которое образовано неподвижными электрическими зарядами, также обладает аналогичной потенциальностью. Работа носителя заряда при его перемещении по замкнутому контуру в электростатическом поле будет равняться нулю. Траектория такого перемещения замкнута и называется контуром и эта траектория может быть любого вида, принципиальное значение имеет ее замкнутость, а не форма.

На рисунке изображены разные траектории движения заряда в электростатическом поле плоского конденсатора. Не имеет значения по какому маршруту двигался заряд (картинка слева), совершенная им работа будет одинаковой, то естьA₁=A₂=A₃. На правом изображении показано движение заряда по замкнутому контуру. Начальная и конечная точки поля совпадают. Заряд двигался из точки 1, затем 2, 3, и снова прибыл в точку 1, тем самым образовав замкнутую траекторию, то есть контур. В этом случае говорят, что совершенная им механическая работа равна нулю.

Потенциал

Так как электростатическое поле является потенциальным, то в нем каждая точка пространства имеет потенциал характеризующий это поле. Для гравитационного поля это будет гравитационный потенциал, а для электрического — электрический потенциал. Что же такое потенциал и как он определяется?

Потенциалом φ точки электрического поля называется работа, которую нужно затратить, чтобы переместить заряд +q в количестве одного Кулона из бесконечности в данную точку поля, или же работа по перемещению этого же заряда +q из данной точки в бесконечность.

Из определения потенциала получается, что потенциал — это показатель характеризующий работу заряда, то есть это по-сути энергетическая характеристика поля. Что же следует понимать под бесконечностью? Это всё-таки некоторое расстояние, а не математическое понятие ∞. Под бесконечностью в определении потенциала следует понимать такое расстояние в пространстве, на котором поле можно считать равным нулю, то есть напряженность поля в ней настолько мала, что ее можно принять за ноль. Силовые линии электрического поля одиночного заряда уходят в бесконечность и даже в этой бесконечности с противоположной стороны вполне может встретится заряд противоположного знака, и тогда эти две бесконечности встретятся. Вот такое место встречи и есть то место, где влияние поля одиночного заряда равно нулю. Это место нулевого потенциала, где потенциал φ=0, после перехода этой зоны нулевого потенциала его значения поменяют свой знак. В реальной природе, во вселенной, каждый заряд имеет свою противоположную пару и потому точка бесконечности — это точка равновесия, баланса.

Из практических соображений бывает удобно принять некоторую линию или поверхность (эквипотенциальную) равной нулю. Это значит, что относительно некоторого источника электрического поля она всё же имеет некоторое значение, но принимается за ноль из практической необходимости. Получается обоснованная относительная система отсчета потенциалов поля. На этот счёт есть аналогия с гравитационным полем Земли (отсчет от уровня моря), когда влияние гравитации Солнца несущественно, но для высоких орбит космических спутников следует учитывать и гравитацию Солнца. При значительном приближении космического аппарата к Луне, влияние гравитационного потенциала Луны станет первостепенным и потребуется лунная система отсчета. Подобным образом обстоят дела и с электрическим полем Земли. Если в физике при рассмотрении теоретических вопросов выбирают бесконечность, то в электротехнике поступают иначе, и принимают за нулевой потенциал поверхность Земли. Соответственно на определенной высоте от поверхности Земли, в атмосфере, потенциал будет иметь некоторое отличное от нуля значение.

В каком случае понятие потенциала теряет смысл? Если при движении заряда по разным траекториям будет совершатся разная работа, то есть она будет зависеть от формы пути, то здесь потенциал поля не имеет смысла. Итак, понятие потенциала относится только к потенциальному полю.

Потенциальная энергия

Известное в механике понятие потенциальной энергии также относится к потенциальному полю. При отсутствии потенциального поля не может быть никакой речи о потенциальной энергии. Потенциальной энергией тела мы как раз и называем ту работу, которую необходимо затратить, чтобы переместить это тело из бесконечности в данную точку. Иначе говоря, требуется затратить энергию, чтобы перенести тело из области с нулевым потенциалом в область с высоким потенциалом. Опять же, если затрачиваемая работа зависит от формы пути, то нет потенциального поля, а значит невозможно говорить о потенциальной энергии.

Как было уже сказано выше, потенциал — это энергетическая характеристика поля и потому достаточно легко определить потенциальную энергию через потенциал.

Потенциальная энергия U_p равна произведению заряда q на потенциал φ.

8. Диэлектрики в электростатическом поле

Внутри диэлектрика может существовать электрическое поле!

Электрические свойства нейтральных атомов и молекул:

Нейтральный атом - положительный заряд (ядро) сосредоточен в центре;

- отрицательный заряд - электронная оболочка;

считается, что из-за большой скорости движения электронов по орбитам центр распределения отрицательного заряда совпадает с центром атома.

Молекула - чаще всего - это система ионов с зарядами противоположных знаков,
т.к. внешние электроны слабо связаны с ядрами и могут переходить к другим атомам.

Электрический диполь - молекула, в целом нейтральная, но центры распределения
противоположных по знаку зарядов разнесены; рассматривается, как совокупность двух точечных зарядов, равных по модулю и противоположных по знаку,
находящихся внутри молекулы на некотором расстоянии друг от друга.
Существуют 2 вида диэлектриков (различаются строением молекул):

1) полярные - молекулы, у которых центры положительного и отрицательного зарядов
не совпадают (спирты, вода и др.);

2) неполярные - атомы и молекулы, у которых центры распределения зарядов совпадают (инертные газы, кислород, водород, полиэтилен и др.).

ПОЛЯРИЗАЦИЯ ДИЭЛЕКТРИКОВ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ

- смещение положительного и отрицательного зарядов в противоположные стороны, т.е. ориентация молекул.

Поляризация полярных диэлектриков

Диэлектрик вне электрического поля - в результате теплового движения электрические диполи ориентированы беспорядочно на поверхности и внутри диэлектрика. q = 0 и E внутр. = 0

Диэлектрик в однородном электрическое поле - на диполи действуют силы, создают моменты сил и поворачивают диполи вдоль силовых линий электрического поля.

Но ориентация диполей - только частичная, т.к. мешает тепловое движение.
На поверхности диэлектрика возникают связанные заряды, а внутри диэлектрика заряды диполей компенсируют друг друга.
Таким образом, средний связанный заряд диэлектрика = 0.
Поляризация неполярных диэлектриков - тоже поляризуются в электрическое поле: положительные и отрицательные заряды молекул смещаются,
центры распределения зарядов перестают совпадать (как диполи), на поверхности диэлектрика возникает связанный заряд, а внутри электрическое поле лишь ослабляется.

Ослабление поля зависит от свойств диэлектрика.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Чем отличается пространство, окружающее заряженное тело, от пространства, что окружает незаряженное тело?

2. Какие главные признак и свойство электрического поля?

3. Как можно обнаружить электрическое поле в определенной точке?

4. Чем определяется густота силовых линий?

5. Как определяется направление линий напряженности поля?

6. Как можно защитить людей от вредного воздействия внешних электрических полей?

Второй уровень

1. Как изменится энергия электрического поля двух разноименных зарядов, если уменьшить расстояние между ними? увеличить расстояние между ними?

2. Могут ли силовые линии пересекаться?

3. Справедливым является утверждение, что свободные заряженные частицы движутся в электростатическом поле вдоль силовых линий этого поля?

4. За счет какой энергии происходит разделение электрических зарядов в процессе электростатической индукции?

5. Почему диэлектрик ослабляет электростатическое поле?

6. Почему диэлектрическая проницаемость различных веществ имеет разные значения?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Передается ли действие заряженных тел друг на друга в безвоздушном пространстве?

2. Электрическое поле заряженного шара действует на заряженную пылинку, что находится вблизи его. Действует поле пылинки на шар?

3. По мере удаления от точечного заряда густота линий напряженности уменьшается. Что это означает?

2). Учимся решать задачи

1. На гладком деревянном столе размещены два заряженных шара. В начальный момент шары находятся в покое. Как будет изменяться энергия электрического поля, создаваемого зарядами шаров, если отпустить шары? Зависит ли ответ от того, заряды одного знака или противоположных имеют шара?

Решение

Под действием электрических сил обе шары начнут двигаться, т.е. их кинетическая энергия начнет увеличиваться. Итак, согласно закону сохранения энергии будет уменьшаться энергия электрического поля, создаваемого пулями. Это будет происходить как в том случае, когда шары заряжены одноименно - тогда они начнут отдаляться друг от друга вследствие отталкивания, так и в том случае, когда шары заряжены разноименно - тогда они будут приближаться друг к другу вследствие притяжения.

Ответ: энергия электрического поля в каждом случае будет уменьшаться.

2. Почему стрелка электрометра отклоняется, если к нему поднести заряженный предмет, не касаясь электрометра?

Указание. В результате разделения зарядов происходит под действием электрического поля, стрелка и нижняя часть стержня электрометра приобретают одноименных зарядов.

3. Маленький заряженный шарик вознесли до большого металлического листа. Покажите ориентировочный вид силовых линий электрического поля.

4. Два положительных заряда 0,2 и 1,8 мкКл закреплены на расстоянии 60 см друг от друга. Где надо поместить третий заряд, чтобы кулоновские силы, действующие на него, компенсировали друг друга? (Ответ: на расстоянии 15 см от меньшего заряда и 45 см - от большего.)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Электрическое поле - это форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между электрически заряженными телами.

Отношение силы , действующей со стороны электрического поля на точечный пробный заряд q, помещенный в данную точку поля, к этому заряду называется напряженностью электрического поля в этой точке:

Принцип суперпозиции полей: напряженность электрического поля системы N зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из них в отдельности:

Воображаемые линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением напряженности электрического поля, называются силовыми линиями или линиями напряженности электрического поля.

Домашнее задание

1. Оценить студентов

2. Подр.: § 89 – 98 .

3. Упр. 17 № 1, 8,9.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема. Электроемкость. Конденсаторы.

Цель урока: ознакомить студентов с понятием электрической емкости проводника.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	15 мин.	1. Что называют потенциалом электрического поля? 2. Что такое разность потенциалов? 3. Принцип суперпозиции 4. Связь между разностью потенциалов и напряженностью
Демонстрации	10 мин.	1.Неодинаковое изменение потенциала двух изолированных проводников различного размера в случае передачи им одинаковых зарядов. 2. Выравнивание потенциалов заряженных проводников разного размера
Изучение нового материала	40 мин.	1. Понятие электроемкости. 2. Единица электроемкости. 3. Конденсаторы. 4. Энергия электрического поля
Закрепление изученного материала	25 мин.	1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи.

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Понятие электроемкости

Для введения понятия электроемкости можно поставить ряд опытов, на которых надо показать неодинаковую изменение потенциала двух изолированных проводников различного размера во время передачи им равных зарядов и продемонстрировать далее, что для получения равных потенциалов этим проводникам нужны неодинаковые заряды.

1-й опыт. За помощью пробной шарики с электрофорной машины переносят на каждую из шаров одинаковое количество электричества.

По показаниям электрофорной выясняют, что потенциал малой пули с каждой порцией перенесенного заряда увеличивался быстрее и достиг большей величины, чем в большой (см. рис. 1). Это происходит подобно тому, как уровень жидкости в узкой цилиндрической сосуде повышается быстрее и достигает большей высоты, чем в широкой, если налить в них одинаковое количество жидкости (см. рис. 2).

Рис. 1

Рис. 2

2-й опыт. Заряженные шары соединяют проводником. По показаниям электрометра видно, что потенциалы шаров стали равными. После соединения происходило перемещение заряда в сторону снижения потенциала, то есть от малой пули к большей, пока потенциалы не выровнялись. Итак, теперь на шарах заряды не равны; в большого шара заряд больший, чем в малой.

Это аналогично явлению, что происходит во время соединения двух сосудов различного поперечного сечения, в которых уровни жидкости сначала находятся на разной высоте, а после соединения выравниваются (см. рис. 3).

Рис. 3

Выполненые опыты показывают, что у каждого проводника потенциал изменяется пропорционально заряда, а отношение заряда к потенциалу q/φ для данного проводника - величина постоянная, которая зависит от его размеров и форм и называется электроемкостью проводника:

Аналогично, в каждой из сосудов высота изменяется пропорционально объему налитой жидкости, но отношение объема жидкости до высоты также является величиной постоянной, характеризующей свойство сосуда - ее емкость и равна площади ее поперечного сечения:

Итак, отношение заряда q уединенного проводника к его потенциалу φ, т.е. величину называют электроемкостью этого проводника.

Единицы электроемкости

Единицей электроемкости в СИ является [С] = 1 Кл/1 В = 1 Ф. В честь английского физика М. Фарадея эта единица названа Фарадам.

1 фарад - емкость проводника, у которого изменение заряда в 1 Кл вызывает изменение потенциала на 1 В.

Для практических целей используют малые частицы фарада: 1 мкФ = 10^-6 Ф; 1 пФ = 10^-12 Ф.

2. Конденсаторы

Величина электроемкости зависит от формы и размеров проводников и от свойств диэлектрика, разделяющего проводники. Существуют такие конфигурации проводников, при которых электрическое поле оказывается сосредоточенным (локализованным) лишь в некоторой области пространства. Такие системы называются конденсаторами, а проводники, входящие в состав конденсатора, называются обкладками.

Конденсатор - это два проводника, имеют равные и противоположные по знаку заряды, причем конфигурация проводников такова, что создаваемое ими поле сосредоточено в основном между проводниками.

Чем больше емкость, тем больший заряд можно поместить на обкладки конденсатора при той же разности потенциалов между ними. Получается, электроемкость-характеризует способность двух проводников накапливать электрический заряд.

Простейший конденсатор - система из двух плоских проводящих пластин, расположенных параллельно друг другу на малом по сравнению с размерами пластин расстоянии и разделенных слоем диэлектрика. Такой конденсатор называется плоским.

Электроемкость плоского конденсатора определяется выражением:

где S - площадь каждой пластины, a d - расстояние между пластинами. Величину ε0 называют электрической постоянной:

3. Энергия электрического поля

Если на обкладках конденсатора электроемкостью. С размещены электрические заряды +q и -q, то напряжение между обкладками конденсатора равна: U = q/С. Во время разрядки конденсатора напряжение между его обкладками убывает прямо пропорционально заряду q от первичного значения U к 0. Среднее значение напряжения на протяжении разрядки равен:

Для работы А, совершаемой электрическим полем во время разрядки конденсатора, будем иметь:

Следовательно, потенциальная энергия Wp конденсатора електроємністю С, заряженного до напряжения U, равна:

Энергия конденсатора обусловлена тем, что электрическое поле между его обкладками имеет энергию. Напряженность Е поля пропорциональна напряжению U, поэтому энергия электрического поля пропорциональна квадрату его напряженности.

Итак, мы нашли, чему равна энергия заряженного конденсатора, рассматривая ее как потенциальную энергию заряженных пластин. Где же сосредоточена эта энергия? Раздвигая пластины конденсатора, мы выполняем работу, увеличивая объем пространства, который занимает электрическое поле. Поэтому потенциальная энергия взаимодействия заряженных пластин - это энергия электрического поля, потому что это поле возникло именно во время разведения пластин.

ВОПРОС К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. От чего зависит электроемкость?

2. Зависит ли электроемкость уединенного проводника от его размеров и формы?

3. Зависит ли электроемкость уединенного проводника от наличия вблизи него других проводников?

4. Что произойдет с разностью потенциалов на пластинах заряженного конденсатора, если уменьшить расстояние между ними?

5. Что произойдет с разностью потенциалов на пластинах заряженного конденсатора, если площадь пластин увеличить?

Второй уровень

1. Две одинаковые ведущие, обособленные шара в вакууме вступили в разных зарядов. Что можно сказать о потенциалы шаров?

2. С помощью какого опыта можно убедиться в том, что заряженный конденсатор обладает энергией?

3. Можно увеличить энергию заряженного раздвижного конденсатора, не изменяя разности потенциалов на его пластинах?

4. Какую опасность представляют собой обесточены круга с имеющимися в них конденсаторами?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Справедливым является утверждение, что под зарядом конденсатора понимают сумму зарядов его обкладок?

2. Во сколько раз изменится емкость плоского конденсатора, если увеличить рабочую площадь пластин в 2 раза?

3. Расстояние между пластинами плоского конденсатора увеличили в 4 раза. Как изменилась емкость конденсатора?

4. Пластины плоского конденсатора раздвигают. В любом случае придется выполнить большую работу:

а) конденсатор все время подключен к источнику напряжения;

б) конденсатор отключен от источника после зарядки?

2). Учимся решать задачи

1. Когда конденсатор подключили к источнику постоянного напряжения, одна из его обкладок приобрела заряда 20 нКл. Чему равен:

а) заряд конденсатора;

б) суммарный заряд обоих обкладок?

(Ответ: а) 20 нКл; б) 0).)

2. Какой заряд нужно передать конденсатору емкостью 6 мкФ, чтобы разность потенциалов между его пластинами равнялась 25 В?

(Ответ: 0,15 мКл.)

3. Какое количество теплоты выделится в проводнике во время разрядки через него конденсатора емкостью 100 мкФ, заряженного до разности потенциалов 1,2 кВ?

(Ответ: 72 Дж.)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Отношение заряда q уединенного проводника к его потенциалу φ называется электроемкостью этого проводника:

Фарад - емкость проводника, у которого изменение заряда в 1 Кл вызывает изменение потенциала на 1 В.

Конденсатор - два проводника, имеют равные и противоположные по знаку заряды, причем конфигурация проводников такая, что поле, создаваемое ими, сосредоточено в основном между проводниками.

Электроемкость плоского конденсатора:

Энергия заряженного конденсатора:

Домашнее задание

1. Подр.: § 99 – 101 .

2. Упр.18 № 1,2,3.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема. Законы постоянного тока.

Цель урока: углубить знания студентов об электрический ток; напомнить о действиях электрического тока; выяснить, какие превращения происходят в проводнике, через который протекает электрический ток.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	15 мин.	Потенциал электрического поля. Электроемкость. Конденсаторы Энергия электрического поля
Демонстрации	10 мин.	1. Источники электрического тока. 2. Действия электрического тока
Изучение нового материала	50 мин.	1. Электрический ток. 2. Источника тока. 3. Сила тока. 4. Действия электрического тока 5. Работа электрического тока. 6. Закон Джоуля-Ленца. 7. Мощность электрического тока. 8. Закон Ома на участке цепи. ЭДС. 9. Закон Ома для полной цепи
Закрепление изученного материала	15 мин.	1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Электрический ток

Согласно электронной теории, в телах есть свободные электроны, движением которых объясняют различные электрические явления. Эти электроны хаотически движутся, подобно молекулам газа.

Если к проводнику приложено внешнее электрическое поле, то на беспорядочное тепловое движение свободных электронов накладывается направленный движение под действием сил электрического поля - так называемый дрейф электронов, что и обусловливает электрический ток.

Обращен движение заряженных частиц называют электрическим током.

За направление тока договорились принимать направление, в котором движутся положительно заряженные частицы. Например, положительно заряженные ионы движутся в направлении тока. В металлах носителями заряда являются отрицательно заряженные электроны, поэтому в металле направление тока противоположно направлению движения носителей заряда. Электрический ток может быть получен только в веществе, в которой есть свободные заряженные частицы. Чтобы они начали двигаться, нужно создать в проводнике электрическое поле.

Следовательно, для существования тока в проводнике необходимы следующие условия:

1) наличие свободных заряженных частиц;

2) существования в проводнике электрического поля, характеризуется разностью потенциалов на концах проводника;

3) замкнутую электрическую цепь.

Если разность потенциалов не меняется со временем, то в проводнике устанавливается постоянный электрический ток.

2. Источники тока

Источник тока - это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую. В любом источнике тока совершается работа по разделению положительно и отрицательно заряженных частиц, которые накапливаются на полюсах источника.

Работу эту выполняют так называемые сторонние силы. Такие силы не могут иметь электрическое происхождение. В источниках тока в течение работы по разделению заряженных частиц происходит превращение механической, внутренней или какой-либо другой энергии в электрическую.

3. Сила тока

В случае постоянного тока заряд, проходящий через поперечное сечение проводника, прямо пропорционален времени. Поэтому постоянный ток характеризуют отношением заряда к промежутку времени, в течение которого было перенесено заряд.

Сила тока равна отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника за промежуток времени Δt, к этому промежутку времени:

В системе СИ силу тока измеряют в амперах (А). Ампер является одной из основных единиц системы СИ и определяют его с помощью магнитного взаимодействия токов. За силы тока в 1 А через поперечное сечение проводника каждую секунду проходит заряд в 1 Кл (1 А = 1 Кл/с).

4. Действия электрического тока

Непосредственное движение частиц в проводнике мы увидеть не можем. О наличии электрического тока можно судить по тем действиям, которые его сопровождают (тепловая, магнитная, химическая).

Тепловое действие тока обусловлено тем, что в случае направленного движения заряженных частиц через вещество они сталкиваются с ионами, атомами и молекулами вещества, увеличивая кинетическую энергию их хаотического «теплового» движения.

Магнитное действие тока обусловлено тем, что вокруг движущихся зарядов существует магнитное поле, которое действует на заряды, движущиеся.

Магнитное действие тока интересна тем, что она проявляется всегда, тогда как другие действия тока (химическая и тепловая) могут и не проявляться. Например, химическое действие тока отсутствует во время прохождения тока через металлы, а тепловая отсутствует в случае прохождения тока через сверхпроводники.

Поэтому магнитное действие тока используют для измерения силы тока (и, в частности, для определения единицы измерения силы тока), а также для создания точных электроизмерительных приборов.

Химическое действие тока начал изучать еще сам Вольт, но наиболее полно его исследовал в начале XIX века Фарадей, установил количественные законы электролиза.

Химическое действие тока можно наблюдать, пропуская электрический ток через раствор медного купороса CuSO4. Учащиеся должны знать, что во время взаимодействия вещества с растворителем молекулы вещества распадаются на положительные и отрицательные ионы. Эти ионы начинают двигаться в электрическом поле. Положительные ионы движутся к отрицательно заряженному электроду (катоду), а отрицательные ионы - к положительно заряженному электроду (аноду).

5. Работа электрического тока

Как известно, работа характеризует изменение энергии или преобразования одного вида энергии в другой.

Работа электрического тока также характеризует процесс преобразования энергии одного вида (энергии электрического поля в энергию другого вида (внутреннюю энергию тел, в механическую и другие виды энергии).

Рассмотрим произвольную участок круга, например, нить накала электрической лампы. Пусть за время ∆ t через поперечное сечение проводника проходит заряд Δq. Тогда электрическое поле выполнит работу А = ΔqU. Поскольку Δq = IΔt, эта работа равна:

А = IUΔt.

За единицу работы электрического тока принят джоуль. Джоуль равен работе, которую выполняет электрический ток силой 1А при напряжении 1 В в течение 1 с:

6. Закон Джоуля-Ленца

Если единственным действием тока является тепловая, то, согласно закону сохранения энергии, количество теплоты, выделившейся в проводнике, численно равно работе тока: Q = A. Следовательно, Q = IUt.

Используя закон Ома для участка цепи, можно записать три эквивалентные формулы для количества теплоты, выделившейся в проводнике с током:

Закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, был установлен экспериментально английским ученым Д. Джоулем и русским ученым Е. X. Ленцем:

Количество теплоты, выделившейся в проводнике, равно произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника и времени прохождения тока:

Формулы и для количества теплоты, выделившейся в проводнике, могут показаться противоречивыми: согласно первой из них количество теплоты прямо пропорциональна сопротивлению проводника, а согласно второй - обратно пропорциональна.

Чтобы разобраться в этом, сравним количества теплоты, которая выделяется в двух проводниках при их последовательного и параллельного соединения.

Если проводники соединены последовательно, сила тока в них одинакова: И1 = И2 = И. Поэтому для сравнения количества теплоты, выделяющееся в проводниках, удобнее пользоваться формулой Получаем:

Таким образом, за последовательного соединения проводников большее количество теплоты выделяется в проводнике, имеет большее сопротивление.

Если проводники соединены параллельно, напряжение на их концах одинакова: U1 = U2 = U. Поэтому для сравнения количества теплоты, выделяющееся в проводниках, удобнее пользоваться формулой . Получаем:

Таким образом, за параллельного соединения проводников большее количество теплоты выделяется в проводнике, имеет меньшее сопротивление.

7. Мощность электрического тока

Любой электрический прибор рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Поэтому, кроме работы тока, важное значение имеет понятие мощности тока.

Мощностью тока P называется отношение работы тока А к промежутку времени t, в течение которого эта работа была выполнена:

Поскольку A = IUt, получаем P = IU. Используя закон Ома для участка цепи, можно записать три эквивалентные формулы для мощности:

Мощность тока, как и любая мощность, измеряется в системе СИ в ваттах (Вт). Мощность равна 1 Вт, если за 1 с совершается работа 1 Дж.

Любой электрический прибор характеризуется потребляемой им мощностью, которую часто называют мощностью этого прибора (обычно ее указывают на приборе).

8. Закон Ома на участке цепи и ЭДС.

Сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению U и обратно пропорциональна сопротивлению проводника R :

I=U/R

Сопротивление проводника равно 1 Ом, если при напряжении 1 В через него течет ток 1 А. Сопротивление R проводника прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:

где ρ- удельное сопротивление материала

Последовательное и параллельное соединения проводников

При последовательном соединении двух проводников: I=I₁=I₂, U=U₁+U₂

Разделив второе равенство на первое, получаем:

Так как I=U₁/R₁=U₂/R₂

то

U ₁/U ₂=R ₁/R ₂

При параллельном соединении двух проводников:

I=I₁+I₂, U=U₁=U₂

Разделив первое равенство на второе, получаем:

Так как

U=I ₁R ₁=I ₂R ₂

тоI₁/I ₂=R ₁/R ₂

Электродвижущая сила

Если два заряженных тела соединить проводником, то через него пойдет кратковременный ток. Избыточные электроны с отрицательно заряженного тела перейдут на положительно заряженное. Потенциалы тел окажутся одинаковыми, значит, напряжение на концах проводника станет равно нулю, и ток прекратится. Для существования длительного тока в проводнике нужно поддерживать разность потенциалов на его концах неизменной. Этого можно достичь, перенося свободные электроны с положительного тела на отрицательное так, чтобы заряды тел не менялись со временем.

Силы электрического взаимодействия сами по себе не способны осуществлять подобное разделение зарядов. Они вызывают притяжение электронов к положительному телу и отталкивание от отрицательного. Поэтому внутри источника тока должны действовать сторонние силы, имеющие неэлектрическую природу и обеспечивающие разделение электрических зарядов.

ЭДС источника равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи

где r - внутреннее сопротивление источника.

9. Закон Ома для полной цепи

Сила тока прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи:

Работа сторонних сил по перемещению вдоль замкнутого контура заряда q = I ∆t равна

Она идет на нагревание внешнего и внутреннего участков цепи:

Сокращая , получаем: ε = IR + Ir .

В случае, когда последовательная цепь содержит несколько источников тока, результирующая ЭДС равна алгебраической сумме ЭДС источников с учетом их знаков: ε = ε₁+ ε₂ + ε₃ + …, а внутреннее сопротивление - сумме всех их внутренних сопротивлений: r = r₁ + r₂ + r₃ + … .

Пример. ЭДС батареи 6,0 В, ее внутреннее сопротивление 0,5 Ом, сопротивление внешней цепи 11,5 Ом. Найдите силу тока в цепи, напряжение на зажимах батареи и падение напряжения внутри батареи.

Пусть R - сопротивление внешнего участка цепи, r - внутреннее сопротивление батареи.

Тогда по закону Ома для замкнутой цепи

где ε - ЭДС батареи, I - сила тока в цепи. Так как сила тока I одинакова как для внешнего, так и для внутреннего участков цепи, то напряжение на зажимах батареи, т.е. на внешнем участке цепи с сопротивлением R , по закону Ома для этого однородного участка есть:

Аналогично, для внутреннего участка цепи, имеющего сопротивление r, можно записать U _r= I*r. Учитывая формулу силы тока, имеем для U _r:

Подставляем значения и проводим расчеты I, U, U _r:

Ответ: сила тока в цепи равна 0,5 А; напряжение на зажимах батареи 5,75 В; падение напряжения на внутреннем сопротивлении 0,25В

ВОПРОС К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Что представляет собой электрический ток?

2. Как определяют направление тока?

3. При каких условиях существует ток в замкнутой электрической цепи?

4. Совпадает ли направление тока в металлических проводниках с направлением движения электронов?

5. Зачем в электроцепях нужен источник тока?

Второй уровень

1. Или движутся заряженные частицы в проводнике, когда по нему не идет ток?

2. Возникает электрический ток при заземлении заряженного металлического шарика?

3. Оба конца проводника имеют одинаковый потенциал. Проходит ли ток по этому проводнику?

4. Во всем круге электрический ток течет от положительного к отрицательному полюсу источника тока?

5. На каком из двух параллельно соединенных проводников выделяется большая мощность? Приведите примеры, подтверждающие ваш ответ.

6. На каком из двух последовательно соединенных проводников выделяется большая мощность? Приведите примеры, подтверждающие ваш ответ.

7. При каких условиях работа тока в проводнике равна количеству теплоты, выделяющейся при этом в проводнике?

8. В любом случае количество теплоты, выделившейся в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника, а в каком случае - прямо пропорционально?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Как определить, не разрывая круг, идет через провод ток?

2. Направление электрического тока электронного луча в кинескопе телевизора: к экрану или от него?

3. Два разноименно заряженных металлических шарика соединяют проводом. В какую сторону пойдет ток через провод?

4. Трамвайная линия, в отличие от троллейбусной, имеет только один электрический провод. Как в этом случае создается замкнутый круг?

5. Какие наблюдения показывают, что электрический ток может выполнить работу?

6. Какие преобразования энергии происходят во внешнем участке электрической цепи?

7. Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается?

8. Какие свойства должен иметь металл, из которого изготовляют спирали нагревательных элементов?

9. Что понимают под механической мощностью?

10. Какими приборами и как можно измерить мощность электрического тока на определенном участке цепи?

2). Учимся решать задачи

1. Какой заряд прошел через спираль утюга, если его гладили 1,5 ч., а сила тока в спирали 3 А?

2. Сколько электронов пройдет за 2 с через поперечное сечение спирали лампы, если сила тока в спирали равен 0,32 А?

Решение

Из определения силы тока I = q/t, следует , что q = It. Зная величину заряда электрона qe, можно найти число электронов N,прошедших через поперечное сечение спирали лампы:

Проверим единицы величин:

Выполняем вычисления:

Ответ: за 2 с через поперечное сечение спирали пройдет 4·1018 электронов.

3. За какое время через поперечное сечение проводника при силе тока 200 мА пройдет заряд 60 Кл?

4. Для питания лампы фотовспышки используют конденсатор емкостью 800 мкФ, заряженный до напряжения 300 В. Какой средний ток разрядки конденсатора, если длительность вспышки составляет 20 мс? (Ответ: 12)

5. На первой лампе накаливания указана мощность 100 Вт, а на второй - 25 Вт. Какие опоры этих ламп в рабочем состоянии?

Решение

Как мы уже знаем, все электрические приборы в квартире включены параллельно, поэтому на всех них одинаковое напряжение. Согласно стандарту она равна 220 В. Получается, для установки сопротивлений этих ламп (в рабочем состоянии) следует пользоваться формулой откуда

Подставив числовые значения величин и проверив единицы измерения, мы получим:

6. Во сколько раз сопротивление нагревательного элемента электрочайника больше сопротивление медного провода, соединяющего чайник с розеткой? Возьмите во внимание, что мощность чайника 2 кВт, площадь поперечного сечения провода 1 мм2, а его длина 1 м?

Решение

Для нахождения сопротивления нагревательного элемента электрочайника используем формулу Подставив числовые значения и проверив единицы величин, получаем

Для нахождения сопротивления провода следует учесть, что общая длина двух проводов, которые соединяют чайник с розеткой, равна 2 м, и воспользоваться формулой где ρ - удельное сопротивление меди. Подставив числовые значения и проверив единицы величин, получаем:

Сравнивая найденные опоры, мы видим, что сопротивление нагревательного элемента электрочайника более чем в 700 раз превышает сопротивление проводов.

7. Из какого материала изготовлена спираль нагревательного элемента, мощность которого 480 Вт, если его длина равна 16 м, сечение 0,24 мм2 и напряжение в сети 120 В?

8. Две лампы мощностью 40 и 60 Вт, рассчитанные на одинаковое напряжение, включены в сеть с тем же напряжением последовательно. Какие мощности они потребляют?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Электрический ток - это направленный движение заряженных частиц. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Действия электрического тока: световая, тепловая, химическая, магнитная.

Физическую величину И, равную отношению заряда q, перенесенного через поперечное сечение проводника за промежуток времени t, к этому промежутку времени, называют силой тока:

1 Кл - это заряд, проходящий через поперечное сечение проводника в течение 1 с при силе тока 1 А.

1 Кл = 1 А · 1 с.

Работа тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке на силу тока в ней и на промежуток времени, в течение которого протекает ток:

A = UIt.

1 Дж равен работе, которую выполняет электрический ток силой 1 А при напряжении 1 В в течение 1 с.

Закон Джоуля-Ленца: количество теплоты, которое выделяет проводник с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения через него тока:

Мощность тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке на силу тока:

Р = UI.

За единицу мощности в системе СИ принят ватт (Вт):

Домашнее задание

1. Подр.: § 102 – 108.

2. Упр.19 № 2, 8,10.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема: «Решение задач».

Цель урока: закрепить знания студентов об электрическом заряде; познакомить студентов с методом поэлементного решения задач; повторить, углубить и закрепить знания студентов о законах постоянного тока при решении графических задач

Тип урока: закрепление знаний

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПРОВЕДЕНИЮ УРОКА

Усвоению и закреплению знаний при решении задач на законы постоянного тока помогает качественный подбор графических задач. В зависимости от уровня подготовки студентов, преподаватель должен подобрать такие задачи, чтобы студентам было интересно работать на уроке. Ниже приводится примерный перечень заданий, из которых преподаватель может выбрать необходимые для данного урока.

1. Пример. ЭДС батареи 6,0 В, ее внутреннее сопротивление 0,5 Ом, сопротивление внешней цепи 11,5 Ом. Найдите силу тока в цепи, напряжение на зажимах батареи и падение напряжения внутри батареи.

Пусть R - сопротивление внешнего участка цепи, r - внутреннее сопротивление батареи.

Тогда по закону Ома для замкнутой цепи

Аналогично, для внутреннего участка цепи, имеющего сопротивление r, можно записать U r= I*r. Учитывая формулу силы тока, имеем для U r:

Подставляем значения и проводим расчеты I, U, U r:

Ответ: сила тока в цепи равна 0,5 А; напряжение на зажимах батареи 5,75 В; падение напряжения на внутреннем сопротивлении 0,25В

1. Какой заряд прошел через спираль утюга, если его гладили 1,5 ч., а сила тока в спирали 3 А?

Решение

Проверим единицы величин:

Выполняем вычисления:

Ответ: за 2 с через поперечное сечение спирали пройдет 4·1018 электронов.

3. За какое время через поперечное сечение проводника при силе тока 200 мА пройдет заряд 60 Кл?

Решение

Подставив числовые значения величин и проверив единицы измерения, мы получим:

Решение

Домашнее задание

1. Оценить студентов.

2. Подготовиться к самостоятельной работе.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема: Самостоятельная работа.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема. Электрический ток в металлах, электролитах и газах

Цель урока: разъяснить студентам физическую природу электропроводности металлов, электролитов и газов.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Фронтальный опрос
Демонстрации

35 мин.

1. Электролиз раствора медного купороса.

2. Различные типы самостоятельного разряда.

3. Фрагменты видеофильма «Электрический ток в различных средах»

Изучение нового материала

40 мин.

1. Электрический ток в металлах

2. Электрический ток в электролитах.

3. Электрический ток в газах

Закрепление изученного материала

15 мин.

1. Качественные вопросы.

2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Электрический ток в металлах

Электронная теория объясняет различия в свойствах проводников и диэлектриков: в одних телах есть свободные носители зарядов, которые могут перемещаться в разных направлениях, а в других телах носители электрических зарядов связаны и могут лишь немного смещаться в ту или другую сторону.

Природа носителей зарядов в металлах доказана классическими опытами Рикке, Мандельштама-Папалекси и Тольман-Стюарта. Опыт Рикке позволяет сделать вывод, что ток в металлах обеспечивают не ионы, а электроны.

Прямые доказательства электронной природы тока в металле дали опыты Мандельштама-Папалекси (1913) и Тольман-Стюарта (1916). В этих опытах было установлено отношение заряда электрона к его массе:

что соответствует установленному ранее из других опытов.

Из опытов легко установить, что сопротивление металлов зависит от температуры. Если при температуре 0 °С, сопротивление проводника равно R0, а при температуре Т он равен R, то относительное изменение сопротивления, как показывает опыт, прямо пропорционально изменению температуры.

При нагревании проводника его геометрические размеры изменяются в незначительной степени. Сопротивление проводника изменяется в основном за счет изменения его удельного сопротивления: ρ = ρ0(1 + αt). Здесь α - температурный коэффициент сопротивления. Для чистых металлов α ≈ 1/273 К-1.

Электрическая проводимость (электропроводность) - - это физическая величина, обратная сопротивлению, характеризует свойство вещества проводить электрический ток. R - сопротивление 1/ R - электрическая проводимость

Носители свободных зарядов в металлах - свободные электроны, которые упорядоченно перемещаются вдоль проводника под действием электрического поля с постоянной средней скоростью (из-за тормозного действия положительно заряженных ионов кристаллической решетки). Металлы обладают электронной проводимостью. Зависимость сопротивления проводника R от температуры: При нагревании размеры проводника меняются мало, а в основном меняется удельное сопротивление. Удельное сопротивление проводника зависит от температуры: где ро - удельное сопротивление при 0 градусов, t - температура, - температурный коэффициент сопротивления ( т.е. относительное изменение удельного сопротивления проводника при нагревании его на один градус) Для металлов и сплавов Обычно для чистых металлов принимается Таким образом, для металлических проводников с ростом температуры увеличивается удельное сопротивление, увеличивается сопротивление проводника и уменьшается эл.ток в цепи. Сопротивление проводника при изменении температуры можно рассчитать по формуле: R = Ro (1 + где Ro - сопротивление проводника при 0 градусов Цельсия t - температура проводника - температурный коэффициент сопротивления

В 1911 году голландский физик Камерлинг-Оннес обнаружил, что при охлаждении ртути в жидком гелии ее сопротивление сначала меняется постепенно, а затем при температуре 4,15 К резко снижается до нуля.

Явление, которое заключается в том, что сопротивление проводника при определенной температуре становится равным нулю, называют сверхпроводимостью.

Практическое применение сверхпроводимости приобретает распространение. Наряду со сверхпроводящими магнитами, сверхпроводящими магнитометрами существует ряд других технических устройств и измерительных приборов, основанных на использовании различных свойств сверхпроводников.

Явление сверхпроводимости. Открытие низкотемпературной сверхпроводимости: 1911г. - голландский ученый Камерлинг - Оннес наблюдается при сверхнизких температурах (ниже 25 К) во многих металлах и сплавах; при таких температурах удельное сопротивление этих веществ становится исчезающе малым. В 1957 г. дано теоретическое объяснение явления сверхпроводимости: Купер (США), Боголюбов (СССР) 1957г. опыт Коллинза: ток в замкнутой цепи без источника тока не прекращался в течение 2,5 лет. В 1986 г. открыта (для металлокерамики) высокотемпературная сверхпроводимость (при 100 К). Трудность достижения сверхпроводимости: - необходимость сильного охлаждения вещества Область применения: - получение сильных магнитных полей; - мощные электромагниты со сверхпроводящей обмоткой в ускорителях и генераторах. В настоящий момент в энергетике существует большая проблема - большие потери электроэнергии при передаче ее по проводам. Возможное решение проблемы: при сверхпроводимости сопротивление проводников приблизительно равно 0 и потери энергии резко уменьшаются. ___ Вещество с самой высокой температурой сверхпроводимости В 1988 г. США, при температуре –148°С было получено явление сверхпроводимости. Проводником служила смесь оксидов таллия, кальция, бария и меди.

ЭЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Полупроводник - это вещество, у которого удельное сопротивление может изменяться в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры. а это значит, что электрическая проводимость (1/R) увеличивается.

- наблюдается у кремния, германия, селена и у некоторых соединений.

Механизм проводимости у полупроводников.

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку, где внешние электроны связаны с соседними атомами ковалентными связями. При низких температурах у чистых полупроводников свободных электронов нет, и он ведет себя как диэлектрик.

Полупроводники чистые (без примесей) Если полупроводник чистый (без примесей), то он обладает собственной проводимостью, которая невелика. Собственная проводимость бывает двух видов:

1. электронная (проводимость "n " - типа). При низких температурах в полупроводниках все электроны связаны с ядрами и сопротивление большое; при увеличении температуры кинетическая энергия частиц увеличивается, рушатся связи и возникают свободные электроны - сопротивление уменьшается. Свободные электроны перемещаются противоположно вектору напряженности электрического поля. Электронная проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов.

2. дырочная (проводимость " p"- типа). При увеличении температуры разрушаются ковалентные связи, осуществляемые валентными электронами, между атомами и образуются места с недостающим электроном - "дырка". Она может перемещаться по всему кристаллу, т.к. ее место может замещаться валентными электронами. Перемещение "дырки" равноценно перемещению положительного заряда. Перемещение дырки происходит в направлении вектора напряженности электрического поля. Кроме нагревания, разрыв ковалентных связей и возникновение собственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей.

Общая проводимость чистого полупроводника складывается из проводимостей "p" и "n" -типов и называется электронно-дырочной проводимостью. Полупроводники при наличии примесей - у них существует собственная + примесная проводимость Наличие примесей сильно увеличивает проводимость. При изменении концентрации примесей изменяется число носителей электрического тока - электронов и дырок. Возможность управления током лежит в основе широкого применения полупроводников.

Существуют: 1) донорные примеси (отдающие) - являются дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводника, легко отдают электроны и увеличивают число свободных электронов в полупроводнике. Это проводники " n " - типа, т.е. полупроводники с донорными примесями, где основной носитель заряда - электроны, а неосновной - дырки. Такой полупроводник обладает электронной примесной проводимостью.

Например - мышьяк.

2. акцепторные примеси (принимающие) - создают "дырки", забирая в себя электроны. Это полупроводники " p "- типа, т.е. полупроводники с акцепторными примесями, где основной носитель заряда - дырки, а неосновной - электроны. Такой полупроводник обладает дырочной примесной проводимостью.

Например - индий.

Электрические свойства "p-n" перехода "p-n" переход (или электронно-дырочный переход) - область контакта двух полупроводников, где происходит смена проводимости с электронной на дырочную (или наоборот). В кристалле полупроводника введением примесей можно создать такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с другими областями полупроводника. Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего слоя. При прямом (пропускном) направлении внешнего электрического поля электрический ток проходит через границу двух полупроводников. Т.к. электроны и дырки движутся навстречу друг другу к границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении внешнего электрического поля электрический ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет. Т.к. электроны и дырки перемещаются от границы в противоположные стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается. Запирающий режим р-n перехода: Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью.

Полупроводниковые диоды Полупроводник с одним "p-n" переходом называется полупроводниковым диодом. При наложении электрического поля в одном направлении сопротивление полупроводника велико, обратном - сопротивление мало. Полупроводниковые диоды - основные элементы выпрямителей переменного тока.

Полупроводниковые транзисторы - также используются свойства" р-n "переходов, - транзисторы используются в схемотехнике радиоэлектронных приборов.

2. Электрический ток в электролитах

Как известно, проводниками электрического тока могут быть не только твердые тела, но и жидкости. Опыты показывают, что электролиты (растворы солей, кислот и щелочей в воде) являются хорошими проводниками электрического тока.

Процесс распада молекул растворенного вещества на ионы под действием растворителя называется электролитической диссоциацией.

Молекулы веществ-растворителей состоят из взаимосвязанных ионов противоположного знака (например Na+Cl-, Н+Cl-, К+,Cl-, Cu++SO4-). Силы притяжения между этими ионами обеспечивают целостность таких молекул.

Ионы в электролитах движутся хаотично, пока в жидкость не опускаются электроды. Тогда на хаотическое движение ионов накладывается их упорядоченное движение к соответствующим электродам и в жидкости возникает электрический ток.

При ионной проводимости прохождение тока связано с переносом вещества. На электродах происходит выделение веществ, входящих в состав электролитов.

Процесс выделения вещества на электродах при прохождении электрического тока через электролит называют электролизом.

На аноде отрицательно заряженные ионы отдают свои лишние электроны (в химии этот процесс называется окислительной реакцией), а на катоде положительные ионы получают недостающие электроны (восстановительная реакция).

Каждый ион, что в процессе электролиза нейтрализуется на электроде и выделяется в нем в виде нейтрального атома, имеет определенную массу. Но вместе с тем он переносит через электролит определенный заряд. Поэтому и масса вещества, выделившаяся, и количество электричества, что прошла, пропорциональные числу ионов, которые подходят к этому электроду.

Количественно закон электролиза был установлен на опыте Майклом Фарадеем в первой половине XIX столетия. Фарадей установил, что

Масса вещества т, которая выделилась на электроде, пропорциональна заряду q, прошедшему через электролит:

m = kq.

Поскольку q = It, где I - сила тока, t - время прохождения тока, то m = kIt.

Постоянную k называют электрохимическим эквивалентом вещества. Смысл этого коэффициента можно определить из выражения:

k = m/q.

Электрохимический эквивалент численно равен массе вещества в килограммах, которая выделяется при прохождении 1 Кл электричества.

Техническое применение электролиза

· Гальванотехника:

а) гальваностегией - покрытие деталей тонким слоем металла (золочение, никелирование, хромирование и др.);

б) гальванопластика - отложение толстого слоя металла, который отслаивают и используют самостоятельно (получения матриц для печатных пластинок, барельеф и др.).

· Электрометаллургия - выделения чистых металлов из природных смесей (меди из медного колчедана, алюминия из расплавленного боксита).

· Очистка металлических деталей (деталь является анодом).

2. Электрический ток в газах

Газы, в отличие от металлов и электролитов, состоят из электрически нейтральных атомов и молекул и при нормальных условиях не содержат свободных носителей тока (электронов и ионов). Газы при нормальных условиях являются диэлектриками.

Однако при некоторых условиях можно заметно повысить электропроводность газа. Достаточно, например, подействовать пламенем спички на воздух возле заряженного электроскопа, как он сразу же разряжается. Из этого опыта делают вывод, что под действием пламени воздух теряет свои изоляционные свойства, т.е. в нем появляются свободные заряды. Воздух, как и другие газы, можно сделать электропроводным и через влияние на него ультрафиолетового, рентгеновского и радиоактивного излучений.

Для отрыва электрона от атома необходима определенная энергия, которую называют энергией ионизации.

Ионизация газов - отрыв от их атомов или молекул электронов.

Противоположным процессу ионизации газов является процесс рекомбинации - воссоединение противоположно заряженных частиц в нейтральные молекулы.

Ионизатор ежесекундно создает в пространстве между электродами некоторое число ионов и электронов. Столько же ионов и электронов, соединяясь между собой, образуют нейтральные атомы. Такое динамическое равновесие существует до тех пор, пока между электродами нет электрического поля. Как только между электродами будет создано поле, сразу же на частицы, несущие заряды разного знака, начнут действовать силы, направленные в противоположные стороны. Поэтому, кроме беспорядочного движения, заряженные частицы будут перемещаться в направлении действия на них электрического поля. Это стремящейся движение частиц под действием электрического поля и представляет собой ток в газе.

Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Существует два вида газового разряда - несамостоятельный и самостоятельный.

Если электропроводность газа возникает под действием ионизаторов, а с удалением последнего исчезает, то имеем несамостоятельный разряд.

Газовый разряд, который можно наблюдать только при наличии внешнего ионизатора, называется несамостоятельным газовым разрядом.

При определенных условиях ток в газах может проходить и без внешнего ионизатора.

Газовый разряд, который продолжается после того, как прекратится действие внешнего ионизатора, называется самостоятельным газовым разрядом.

В зависимости от давления газа, конфигурации электродов и параметров внешней цепи существует четыре типа самостоятельных разрядов: тлеющий, искровой, коронный и дуговой.

Электрический разряд, что происходит за низкие давления (частицы миллиметра ртутного столба, то есть в тысячи раз меньше атмосферного давления), называют тлеющим разрядом. Тлеющий заряд используют в люминесцентных газонаполненных лампах и рекламных трубках.

Искровой разряд возникает в газе обычно при давлениях порядка атмосферного. Он характеризуется прерывистой формой. По внешнему виду искровой разряд представляет собой пучок ярких зигзагообразных тонких разглаживающих полос, которые мгновенно пронизывающих разрядный промежуток, быстро угасают и постоянно сменяют друг друга. Эти полоски называют искровыми каналами.

При естественных условиях искровой разряд наблюдается в виде молнии. Искровой разряд в незначительных масштабах возникает, например, в обычных выключателях, когда мы выключаем свет. На применении искрового разряда основаны методы электроискровой обработки металлов. Мощные, сильно токовые разряды в водороде были первыми шагами на пути к управляемому термоядерному синтезу.

Коронный разряд возникает в сильном неоднородном электрическом поле при сравнительно высоких давлениях газа (подобно атмосферному). Такое поле можно получить между двумя электродами, поверхность одного из которых имеет большую кривизну (тонкий дротик, острие). Именно такая ситуация возникает перед грозой или во время грозы. Но по мере удаления от острия поле быстро уменьшается, поэтому вдали от острия электронная лавина не возникает.

Коронный разряд применяется в электрофильтрах для очистки воздуха. Ионы, сталкиваясь с частицами дыма, заряжают их, после чего заряженные частицы притягиваются к электродам и оседают на них.

Если после получения искрового разряда от мощного источника постепенно уменьшать расстояние между электродами, то разряд из прерывистого становится непрерывным, возникает новая форма газового разряда, называемая дуговым разрядом.

Температура за дуговой разряд достигает 6000°С (такая температура на поверхности Солнца).

Дуговой разряд был открыт в 1802 г. русским физиком В. В. Петровым. Дуговой разряд используют для электросварки металлов. Значительный вклад в разработку методов электросварки внесли украинские ученые под руководством академика А. Есть. Патона - организатора и первого директора Института электросварки в Киеве. Дуговой разряд также используют в прожекторах, проекционных аппаратах и в маяках. В металлургии широко применяют дуговые электропечи, источником тепла в которых является дуговой разряд. В таких печах выплавляют сталь, чугун, бронзу и другие металлы.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Как движутся электроны проводимости в металлическом проводнике, когда в нем: а) нет электрического поля; б) создано электрическое поле?

2. Какова природа носителей заряда в электролитах?

3. Какое условие необходимо для возникновения направленного движения ионов в электролите?

4. Почему разрежения газа улучшает его проводимость? Или при всех условиях это справедливо?

5. Какие условия должны быть выполнены, чтобы несамостоятельный разряд стал самостоятельным?

6. Почему при меньших плотностях воздуха электрический разряд происходит при более низких напряжениях?

Второй уровень

1. Почему несмотря на невысокую скорость упорядоченного движения электронов в металлическом проводнике, приборы в сети начинают действовать одновременно?

2. Или любая жидкость, что проводит электрический ток, является раствором или расплавом электролита?

3. Какова природа тока в газах?

4. Почему электроскоп, что находится неподалеку от пламени газовой горелки, разряжается достаточно быстро?

5. Как изменится дуговой разряд, если сильно охладить анод? катод?

6. О каких физических явлениях идет речь в загадке: «Сверкнет, мелькнет, кого позвав»?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Почему во время прохождения тока через раствор электролита происходит перенос вещества, а в случае прохождения через металлический проводник перенос вещества не происходит?

2. В какой способ, опустив два провода от гальванического элемента в стакан с водопроводной водой, можно узнать, существует ли между ними постоянное напряжение?

3. В чем сходство и различия проводимости газов и электролитов?

4. Чем отличается ионизация газа от электролитической диссоциации?

5. Почему у альпинистов существует такое правило: заночувавши высоко в горах, все металлические предметы нужно класть подальше от лагеря?

2). Учимся решать задачи

1. По какой силы тока проводился электролиз водного раствора CuSO4, если за 25 мин. на катоде выделилось 2 г меди?

2. В процессе электролиза из водного раствора серебряной соли выделилось 500 мг серебра. Какой заряд прошел через электролитическую ванну?

3. Ионизирующее излучение ежесекундно создает в 1 см3 газа в трубке n = 5·109 пар однозарядных ионов. Какова сила тока насыщения при несамостоятельного разряда, если объем трубки V = 600 см3?

Решение

Сила тока Следует обратить внимание на то, что пара однозарядных ионов переносит с катода на анод один электрон. Подставив числовые данные, получаем: И = 480 нА.

4. Напряжение 40-50 В поддерживает дуговой разряд в газовом промежутке. Искровой разряд в том же промежутке требует напряжения в несколько тысяч вольт. Объясните этот факт.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Процесс распада молекул растворенного вещества на ионы под действием растворителя называется электролитною диссоциацией.

Масса вещества m, которая выделилась на электроде, пропорциональна заряду q, прошедшего через электролит:

m = kq.

Электрохимический эквивалент численно равен массе вещества в килограммах, выделяющегося при прохождении 1 Кл электричества:

Ионизация газов - отрывание от их атомов или молекул электронов.

Процесс протекания электрического тока через газ называют газовым разрядом.

Домашнее задание

1. Оценить студентов.

2. Подр.: § 109 – 113, 119 – 123. .

3. Упр. 20 № 5, 7, 9.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема. Электрический ток в полупроводниках. Транзисторы.

Цель урока: сформировать представление о свободные носители электрического заряда в полупроводниках и о природе электрического тока в полупроводниках.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	20 мин.	1. Электрический ток в металлах. 2. Электрический ток в электролитах. 3. Закон Фарадея для электролиза. 4. Электрический ток в газах
Демонстрации	10 мин.	Фрагменты видеофильма «Электрический ток в полупроводниках»
Изучение нового материала	45 мин.	1. Носители зарядов в полупроводниках. 2. Примесная проводимость полупроводников. 3. Электронно-дырочный переход. 4. Полупроводниковые диоды и транзисторы. 5. Интегральные микросхемы
Закрепление изученного материала	15 мин.	1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Носи зарядов в полупроводниках

Удельные сопротивления полупроводников при комнатной температуре имеют значения, которые находятся в широком интервале, т.е. от 10-3 до 107 Ом·м , и занимают промежуточное положение между металлами и диэлектриками.

Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых очень быстро убывает с повышением температуры.

До полупроводников относятся многие химические элементы (бор, кремний, германий, фосфор, мышьяк, селен, теллур и др.), огромное количество минералов, сплавов и химических соединений. Почти все неорганические вещества окружающего мира - полупроводники.

За достаточно низкие температуры и отсутствия внешних воздействий (например, освещения или нагревания) полупроводники не проводят электрический ток: при этих условиях все электроны в полупроводниках являются связанными.

Однако связь электронов со своими атомами в полупроводниках не такой крепкий, как в диэлектриках. И в случае повышения температуры, а также за яркие освещения некоторые электроны отрываются от своих атомов и становятся свободными зарядами, то есть могут перемещаться по всему образцу.

Благодаря этому в полупроводниках появляются отрицательные носители заряда - свободные электроны.

Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов, называют электронной.

Когда электрон отрывается от атома, положительный заряд этого атома становится некомпенсированным, т.е. в этом месте появляется лишний положительный заряд. Этот положительный заряд называют «дыркой». Атом, вблизи которого образовалась дырка, может отобрать связанный электрон у соседнего атома, при этом дырка переместится до соседнего атома, а тот атом, в свою очередь, может «передать» дырку дальше.

Такое «эстафетное» перемещение связанных электронов можно рассматривать как перемещение дырок, то есть положительных зарядов.

Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называется дырочной.

Таким образом, отличие дырочной проводимости от электронной заключается в том, что электронная проводимость обусловлена перемещением в полупроводниках свободных электронов, а дырочная - перемещением связанных электронов.

В чистом полупроводнике (без примесей) электрический ток создает одинаковое количество свободных электронов и дырок. Такую проводимость называют собственной проводимостью полупроводников.

2. Примесная проводимость полупроводников

Если добавить в чистый расплавленный кремний незначительное количество мышьяка (примерно 10-5 %), после твердения образуется обычная кристаллическая решетка кремния, но в некоторых узлах решетки вместо атомов кремния будут находиться атомы мышьяка.

Мышьяк, как известно, пятивалентный элемент. Чотиривалентні электроны образуют парные электронные связи с соседними атомами кремния. Пятом же валентному электрону связи не хватит, при этом он будет так слабо связан с атомом Мышьяка, который легко становится свободным. В результате каждый атом примеси даст один свободный электрон.

Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными.

Электроны из атомов кремния могут становиться свободными, образуя дыру, поэтому в кристалле могут одновременно существовать и свободные электроны, и дырки. Однако свободных электронов во много раз будет больше, чем дырок.

Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n-типа.

Если в кремний добавить незначительное количество трехвалентного индию, то характер проводимости полупроводника изменится. Поскольку индий имеет три валентных электрона, то он может установить ковалентная связь только с тремя соседними атомами. Для установления связи с четвертым атомом электрона не хватит. Индий «одолжит» электрон в соседние атомы, в результате каждый атом Индия образует одно вакантное место - дырку.

Примеси, которые «захватывают» электроны атомов кристаллической решетки полупроводников, называются акцепторными.

В случае акцепторной примеси основными носителями заряда во время прохождения электрического тока через полупроводник есть дыры. Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками р-типа.

Практически все полупроводники содержат и донорные, и акцепторные примеси. Тип проводимости полупроводника определяет примесь с более высокой концентрацией носителей заряда - электронов и дырок.

3. Электронно-дырочный переход

Среди физических свойств, присущих полупроводникам, наибольшее применение получили свойства контактов (р-n-перехода) между полупроводниками с разными типами проводимости.

В полупроводнике n-типа электроны участвуют в тепловом движении и диффундируют через границу в полупроводник р-типа, где их концентрация значительно меньше. Точно так же дырки будут диффундировать из полупроводника р-типа в полупроводник п-типа. Это происходит подобно тому, как атомы растворенного вещества диффундируют из крепкого раствора в слабый в случае их столкновения.

В результате диффузии приконтактна участок обедняется основными носителями заряда: в полупроводнике n-типа уменьшается концентрация электронов, а в полупроводнике р-типа - концентрация дырок. Поэтому сопротивление приконтактного участка оказывается очень значительным.

Диффузия электронов и дырок через р-n-переходе приводит к тому, что полупроводник n-типа, из которого идут электроны, заряжается положительно, а р-типа - отрицательно. Возникает двойной электрический слой, что создает электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии свободных носителей тока через контакт полупроводников. По некоторой напряжения между двойным заряженным слоем дальнейшее обнищание приконтактної участка основными носителями прекращается.

Если теперь полупроводник присоединить к источнику тока так, чтобы его электронная область соединялась с отрицательным полюсом источника, а дырочная - с положительным, то электрическое поле, созданное источником тока, будет направлено так, что оно перемещать основные носители тока в каждом участке полупроводника с р-n-перехода.

Приконтактна участок будет обогащаться основными носителями тока, и его сопротивление уменьшится. Через контакт будет проходить заметный ток. Направление тока в этом случае называют пропускным, или прямым.

Если же присоединить полупроводник n-типа к положительному, а р-типа к отрицательному полюсу источника, то приконтактна участок расширяется. Сопротивление области значительно увеличивается. Ток через переходный слой будет очень мал. Это направление тока называют замыкающим, или обратным.

4. Полупроводниковые диоды и транзисторы

Следовательно, через границу раздела полупроводников n-типа и р-типа электрический ток идет только в одном направлении - от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа.

Это используют в устройствах, которые называют диодами.

Полупроводниковые диоды используют для выпрямления тока переменного направления (такой ток называют переменным), а также для изготовления светодиодов. Полупроводниковые выпрямители имеют высокую надежность и длительный срок использования.

Широко применяют полупроводниковые диоды в радиотехнических устройствах: радиоприемниках, видеомагнитофонах, телевизорах, компьютерах.

Еще более важным применением полупроводников стал транзистор. Он состоит из трех слоев полупроводников: по краям расположены полупроводники одного типа, а между ними - тонкий слой полупроводника другого типа. Широкое применение транзисторов обусловлено тем, что с их помощью можно усиливать электрические сигналы. Поэтому транзистор стал основным элементом многих полупроводниковых приборов.

5. Интегральные микросхемы

Полупроводниковые диоды и транзисторы являются «кирпичиками» очень сложных устройств, которые называют интегральными микросхемами.

Микросхемы работают сегодня в компьютерах и телевизорах, мобильных телефонах и искусственных спутниках, в автомобилях, самолетах и даже в стиральных машинах. Интегральную схему изготавливают на пластинке кремния. Размер пластинки - от миллиметра до сантиметра, причем на одной такой пластинке может размещаться до миллиона компонентов - крошечных диодов, транзисторов, резисторов и др.

Важными преимуществами интегральных схем является высокое быстродействие и надежность, а также низкая стоимость. Именно благодаря этому на основе интегральных схем и удалось создать сложные, но многим доступны приборы, компьютеры и предметы современной бытовой техники.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Какие вещества можно отнести к полупроводниковых?

2. Движением которых заряженных частиц создается ток в полупроводниках?

3. Почему сопротивление полупроводников очень сильно зависит от наличия примесей?

4. Как образуется p-n-переход? Какое свойство имеет p-n-переход?

5. Почему свободные носители зарядов не могут пройти сквозь p-n-переход полупроводника?

Второй уровень

1. После введения в германий примеси мышьяка концентрация электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при этом концентрация дырок?

2. С помощью какого опыта можно убедиться в односторонней проводимости полупроводникового диода?

3. Можно ли получить р-n-переход, выполнив вплавления олова в германий или кремний?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Почему требования к чистоте полупроводниковых материалов очень высоки (в ряде случаев не допускается наличие даже одного атома примеси на миллион атомов)?

2. После введения в германий примеси мышьяка концентрация электронов проводимости увеличилась. Как изменилась при этом концентрация дырок?

3. Что происходит в контакте двух полупроводников n- и р-типа?

4. В закрытом ящике находятся полупроводниковый диод и реостат. Конце приборов выведены наружу и присоединены к клеммам. Как определить, какие клеммы принадлежат диода?

2). Учимся решать задачи

1. Какую проводимость (электронную или дырочную) имеет кремний с примесью галлия? индию? фосфора? сурьмы?

2. Какая проводимость (электронная или дырочная) будет в кремний, если к нему добавить фосфор? бор? алюминий? мышьяк?

3. Как изменится сопротивление образца кремния с примесью фосфора, если ввести в него примесь галлия? Концентрация атомов Фосфора и Галлия одинакова. (Ответ: увеличится)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Полупроводники - вещества, удельное сопротивление которых очень быстро снижается с повышением температуры.

Проводимость полупроводника, обусловленная движением электронов, называют электронной.

Проводимость полупроводника, обусловленная движением дырок, называется дырочной.

Примеси, атомы которых легко отдают электроны, называются донорными.

Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называют полупроводниками р-типа.

Контакт двух полупроводников с различными видами проводимости имеет свойства хорошо проводить ток в одном направлении и значительно хуже в противоположном направлении, т.е. имеет одностороннюю проводимость.

Домашнее задание

1. Оценить студентов.

2. Подр.: § 113 – 118.

3. Упр. 20 № 1,3,8.

4. Д: подготовиться к решению задач и самостоятельной работе.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема. Магнитное поле. Сила Ампера.

Цель урока: сформировать представления студентов о магнитном поле как виде материи.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	15 мин.	1. Какие взаимодействия называют магнитными? 2. В чем заключалось открытие Эрстеда? 3. В чем проявляется магнитное действие электрического тока? 4. В чем заключается гипотеза Ампера?
Демонстрации	20 мин.	1. Магнитное поле прямого провода с током. 2. Магнитное поле катушки с током. 3. Спектры магнитных полей прямого провода и катушки с током
Изучение нового материала	35 мин.	1. Магнитное поле. 2. Магнитная индукция. 3. Линии магнитной индукции. Правило буравчика. 4. Сила Ампера. Правило левой руки.
Закрепление изученного материала	20 мин.	1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Магнитное поле

Во время изучения электрических явлений мы выяснили, что электрическая взаимодействие осуществляется с помощью электрического поля. Магнитное взаимодействие так же, как и электрическая, осуществляется с помощью магнитного поля. Любой проводник с током создает вокруг себя магнитное поле, и это магнитное поле действует на проводники с токами.

Магнитное поле, создаваемое также постоянными магнитами, действует на постоянные магниты. Напомним, что, согласно гипотезе Ампера, магнитные свойства постоянных магнитов также обусловлены микроскопическими токами, циркулирующими внутри них.

Магнитное поле удобно исследовать с помощью маленьких магнитов (например, магнитных стрелок): в магнитном поле они в определенный способ возвращаются.

Таким образом, в пространстве вокруг проводника с током возникают силы, действующие на движущиеся заряды и на магнитную стрелку.

Эти силы получили название магнитных. Итак, магнитным полем мы будем называть то состояние пространства, которое проявляет себя через действие магнитных сил.

Определяющие свойства магнитного поля такие:

· магнитное поле порождают магниты и токи;

· магнитное поле обнаруживается за действием на магниты и токи.

2. Магнитная индукция

Для магнитного поля, так же как и для электрического, можно ввести векторную величину, характеризующую это поле в каждой точке. Эту величину называют вектором магнитной индукции и обозначают .

Силовой характеристикой магнитного поля может служить сила, действующая в этом поле на проводник с током.

Опыт показывает, что сила, которая действует со стороны магнитного поля на прямолинейный проводник с током, зависит не только от магнитного поля, но и от силы тока в проводнике, длине проводника l и угла α между проводником и вектором магнитной индукции .

При заданных силы тока и длины проводника эта сила максимальна, когда проводники расположен перпендикулярно к вектору магнитной индукции. По этой причине именно такое расположение проводника с током было выбрано для определения модуля вектора магнитной индукции. Согласно опыта, сила F, действующая со стороны магнитного поля на проводник, прямо пропорциональна произведению Il.

Получается, отношение F/Il не зависит ни от силы тока в проводнике, ни от длины этого проводника и, следовательно, характеризует собственное магнитное поле. Поэтому модуль вектора магнитной индукции можно определить следующим образом:

Модуль вектора магнитной индукции равен отношению силы, действующей на проводник с током, расположенный перпендикулярно к вектору магнитной индукции, к произведению силы тока в проводнике и длины проводника:

За единицу магнитной индукции принимают магнитную индукцию однородного поля, в котором на участок проводника длиной 1 м при силе тока в нем 1 А действует со стороны поля максимальная сила 1 Н:

3. Лины магнитной индукции

Линии магнитной индукции можно сделать намного более наглядными, если вместо магнитных стрелок использовать опилки в магнитном поле они намагничиваются, становясь крошечными магнитиками.

Линиями магнитной индукции являются линии, проведенные так, что касательные к ним в каждой точке указывают на направление поля в этой точке.

Отметим, что линии магнитной индукции реально не существуют, они всего лишь удобный способ его описания.

Направление вектора магнитной индукции определяют, используя орієнтувальну действие магнитного поля на магнитную стрелку или рамку с током.

За направление вектора магнитной индукции принимают направление, в котором указано северный полюс свободно вращающейся магнитной стрелки.

Необходимо обратить внимание на то, что:

1) линии магнитной индукции поля, созданного катушкой или магнитом, «выходят» из северного полюса и входят в южный полюс;

2) внутри катушки с током линии магнитной индукции направлены от южного полюса к северному;

3) опыты показывают, что линии магнитной индукции всегда замкнуты.

Направление линий магнитной индукции поля, созданного проводником с током, связан с направлением тока в проводнике правилом, что называют правилом буравчика.

Направление линий магнитной индукции поля, создаваемого прямолинейным проводником с током, совпадает с направлением вращения ручки буравчика (винта с правой нарезкой), когда направление поступательного движения собственно буравчика совпадает с направлением тока в проводнике.

Направление линий магнитной индукции поля, созданного проволочным витком или катушкой с током, связан с направлением тока в витке или катушке также правилом буравчика.

Направление линий магнитной индукции поля, создаваемого током в проволочном витке или катушке, совпадает с направлением поступательного движения буравчика (винта с правой нарезкой), когда направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением тока.

Необходимо обратить внимание:

Правила буравчика для прямолинейного проводника и для витка (катушки) с током отличаются тем, что в них «меняются местами» направление силовых линий магнитного поля и направление тока.

Свойства линий магнитной индукции

- имеют направление;

- непрерывны;

-замкнуты (т.е. магнитное поле является вихревым);

- не пересекаются;

- по их густоте судят о величине магнитной индукции.

Направление линий магнитной индукции

- определяется по правилу буравчика или по правилу правой руки.

Правило буравчика (в основном для прямого проводника с током): если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

4. Сила Ампера. Правило левой руки.

Сила Ампера - это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

Модуль силы Ампера равен произведению силы тока в проводнике на модуль вектора магнитной индукции, длину проводника и синус угла между вектором магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Сила Ампера максимальна, если вектор магнитной индукции перпендикулярен проводнику.

Если вектор магнитной индукции параллелен проводнику, то магнитное поле не оказывает никакого действия на проводник с током, т.е. сила Ампера равна нулю.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:

Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная проводнику составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а 4 вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующий на проводник с током.

Примеры:

или

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. С помощью чего осуществляется магнитное взаимодействие?

2. Опишите опыты, с помощью которых можно обнаружить магнитное поле.

3. Магнитное поле действует на стрелку компаса. А создает стрелка компаса магнитное поле вокруг себя?

4. Как можно определить направление линий магнитной индукции поля, создаваемого прямым проводом с током?

5. Как можно определить направление линий магнитной индукции поля, создаваемого катушкой с током?

Второй уровень

1. Как на опыте показать, что направление силовых линий магнитного поля связано с направлением тока?

2. Электрический ток в проводе линии электропередачи направленный с юга на север.

Какое направление укажет северный полюс магнитной стрелки, помещенной: а) чуть выше провода; б) чуть ниже провода?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Как с помощью компаса можно определить полюса магнита? Объясните свой ответ.

2. Как определить, какой торец катушки с током является ее северным полюсом?

2). Учимся решать задачи

1. Ось катушки с током расположена вертикально. Ток проходит через катушку по часовой стрелке, если смотреть сверху. Как направлены силовые линии магнитного поля внутри катушки?

2. Определите направление тока в проводнике, сечение которого и магнитное поле показаны на рисунке.

3. За витком провода (см. рисунок) идет электрический ток. В каком направлении повернется магнитная стрелка, помещенная в точку А? в точку С?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

В пространстве вокруг проводника с током возникают силы, действующие на движущиеся заряды и на магнитную стрелку.

Магнитным полем мы будем называть то состояние пространства, которое проявляет себя через действие магнитных сил.

Домашнее задание

1. Подр.: § 1 – 5..

2. Написать реферат по теме: «Вектор магнитной индукции».

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема. Энергия магнитного поля катушки с током

Цель урока: ознакомить студентов с одной из характеристик ведущего контура - индуктивностью; научить определять энергию магнитного поля.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	20 мин.	1. Магнитный поток. 2. Явление электромагнитной индукции. 3. Закон электромагнитной индукции. 4. Правило Ленца
Демонстрации	10 мин.	Зависимость ЭДС самоиндукции от скорости изменения силы тока в цепи и индуктивности катушки
Изучение нового материала	40 мин.	1. Явление самоиндукции. 2. Индуктивность. 3. Энергия магнитного поля
Закрепление изученного материала	20 мин.	1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Явление самоиндукции

Выявить опытным путем существования самоиндукции нетрудно. Возьмем катушку с несколькими сотнями витков, надетую на замкнутый железный сердечник.

К клеммам катушки присоединим лампочку на 6 В. Катушку с помощью ключа присоединяем к источнику с напряжением 2 В. Поскольку лампочка рассчитана на напряжение, большую, чем та, которую обеспечивает источник, то пока ключ замкнут, она горит слабо. В момент же размыкание ключа она на мгновение вспыхивает ярким белым светом. Почему это происходит? После размыкания ключа ток в катушке уменьшается, то есть магнитное поле ослабевает. При этом происходит процесс самоиндукции, благодаря которому «создается» кратковременная, но довольно значительная ЭДС, под действием которой через катушку и лампочку протекает за довольно короткое время значительный ток, что заставляет лампочку загореться.

Возникновение ЭДС индукции в контуре при изменении силы тока в этом же контуре называют явлением самоиндукции.

Как известно, энергетической характеристикой вихревого электрического поля является ЭДС индукции. Поскольку самоиндукция является частным случаем электромагнитной индукции, то для вычисления ЭДС самоиндукции можно применить формулу:

2. Индуктивность

Электрический ток i, протекающий через любой замкнутый контур, создает магнитный поток Ф, пронизывающий поверхность, ограниченную этим проводником. Если проводник неподвижен и магнитные свойства среды не меняются, магнитный поток пропорционален силе тока: Ф ~ И или Ф = LI, где L - величина, характеризующая контур (например, катушку) и окружающую его среду (сердечник).

Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью данного контура.

Индуктивность - это качество ведущего контура, определяемая отношением изменения потока магнитной индукции, пронизывающего контур, к изменению силы тока в нем.

Из последнего выражения следует, что

1 генри - это индуктивность такого проводника, в котором ток силой в 1 А создает магнитный поток в 1 Вб.

Поскольку Ф = LI, из формулы получаем, что Эта формула раскрывает физический смысл индуктивности: из нее следует, что индуктивность контура численно равна ЭДС самоиндукции, возникающая в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с. Поэтому индуктивность называют также коэффициентом самоиндукции.

Из последней формулы следует, что индуктивность контура равна 1 Гн, если при изменении силы тока в контуре на 1 А за 1 с в нем возникает ЭДС самоиндукции, равная 1 В.

Отсюда

3. Энергия магнитного поля

Для создания электрического тока и, следовательно, его магнитного поля необходимо выполнить работу против сил вихревого электрического поля. Эта работа (согласно закону сохранения энергии) равна энергии электрического тока или энергии магнитного поля тока.

Можно предложить ученикам выполнить сравнение между процессом установления в круге электрического тока величиной И процессом приобретения некоторым телом определенной скорости .

1. Во время замыкания цепи с катушкой ток, постепенно нарастая, через определенное время приобретает значение И	1. Автомобиль, трогаясь с места и постепенно набирая скорость, через некоторое время приобретает скорости
2. Для того чтобы ток в цепи с индуктивностью во время его замыкания вступил определенного значения, необходимо выполнить работу	2. Для того чтобы автомобиль разогнать до некоторой скорости, необходимо совершить работу
3. Нарастание тока И тем медленнее, чем больше (при прочих равных условиях) индуктивность L	3. Нарастание скорости тем медленнее, чем больше (при прочих равных условиях) масса m

Частичная сходство между процессом установления тока в катушке индуктивности и разгоном автомобиля позволяет предположить, что величины работы с разгона автомобиля и установления тока выражено аналогичными соотношениями.

Механическая работа с разгона автомобиля равна

Эту величину можно принять как модель для установки силы тока в катушке индуктивности. Соотношение между И и , L и mпозволяет превратить

Следовательно, энергия магнитного поля тока в контуре с индуктивностью L равна

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. В какой момент искрит рубильник: при замыкании или размыкание круга?

2. Зависит ли индуктивность катушки от числа витков и длины проводов?

3. Почему питания мощных электродвигателей отпирают плавно и медленно при помощи реостатов?

4. Почему для создания тока в цепи источник должен затратить энергию?

Второй уровень

1. Электромагнит с разомкнутым сердечником включен в круг постоянного тока. Во время замыкания сердечника якорем происходит кратковременное уменьшение силы тока в цепи. Почему?

2. Как уменьшить индуктивность катушки с железным сердечником при условии, что габариты обмотки (ее длина и поперечное сечение) останутся неизменными?

3. Замкнули круг, содержащей источник постоянной ЭДС. На что расходуется энергия источника до и после установления постоянной силы тока?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Электромагнит включают в круг постоянного тока. Почему максимальная сила тока в цепи устанавливается не сразу?

2. Опыты показывают, что индуктивность катушки увеличивается в соответствии с увеличением количества витков в катушке. Объясните почему.

2). Учимся решать задачи

1. Определите скорость изменения тока в катушке индуктивностью 100 мГн, если в ней возникла ЭДС самоиндукции 80 В.

2. В катушке сопротивлением 5 Ом течет ток 17 А. Индуктивность катушки 50 мГн. Каким будет напряжение на зажимах катушки, если ток в ней равномерно возрастает со скоростью 1000 А/с?

3. Катушка сопротивлением 50 Ом и индуктивностью 10-3 Гн находится в магнитном поле. Во время равномерной изменения магнитного поля поток через катушку возрос на 10-3 Вб и ток в катушке увеличился на 0,1 А. Какой заряд прошел за это время через катушку? (Ответ: 0,18·10-4 Кл)

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

1 Гн - индуктивность контура, в котором при изменении силы тока на 1 А за 1 с возникает ЭДС самоиндукции 1 В.

Энергия магнитного поля тока в контуре индуктивностью L равна

Домашнее задание

1. Подр.: § 15 – 17.

2. Упр.2 № 8,9.

3. Д: подготовиться к самостоятельной работе.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема. Самостоятельная работа.

Цель урока: систематизировать и обобщить знания студентов по разделу «Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.»

Тип урока: закрепление знаний

Вариант – 1.

Теоретическая часть.

1. Магнитное поле, свойства, вектор магнитной индукции, магнитная стрелка, правило буравчика, линии магнитной индукции, модуль вектора магнитной индукции, сила Ампера и правило левой руки.

2. Электромагнитная индукция, индукционный ток, магнитный поток, правило Ленца и четыре условии для выполнения правило Ленца.

3. Закон электромагнитной индукции, электромагнитное поле.

Практическая часть

4. Прямолинейный проводник длиной 10 см находится в однородном магнитном поле с индукцией 4 Тл и расположен под углом 30° к вектору магнитной индукции. Чему равна сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля, если сила тока в проводнике 3 А?

5. В магнитном поле с индукцией 5 Тл движется электрон со скоростью 104 м/с, направленной перпендикулярно линиям индукции магнитного поля. Чему равен модуль силы, действующей на электрон со стороны магнитного поля?

6. Прямолинейный проводник длиной 0,5 м, по которому течет ток 6 А, находится в однородном магнитном поле. Модуль вектора магнитной индукции 0,2 Тл, проводник расположен под углом к вектору В. Сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля, равна

Вариант – 2.

Теоретическая часть.

1. Правило буравчика, сила Лоренца, правило правой руки, магнитные свойства вещества.

2. Вихревое поле, работа вихревого электрического плоя, токи Фуко, свойства электростатического поля, свойства индукционного электрического поля (вихревого электрического поля), самоиндукция, индуктивность.

3. Энергия магнитного поля.

Практическая часть.

4. Прямолинейный проводник длиной 5 см находится в однородном магнитном поле с индукцией 5 Тл и расположен под углом 30° к вектору магнитной индукции. Чему равна сила, действующая на проводник со стороны магнитного поля, если сила тока в проводнике 2

6. На участок прямого проводника длиной 50 см в однородном магнитном поле с индукцией 2 Тл при силе тока в проводнике 20 А и направлении вектора индукции магнитного поля под углом к проводнику , действует сила Ампера, приблизительно равная

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема. Свободные и вынужденные электромагнитные колебания Колебательный контур. Переменный электрический ток.

Цель урока: выяснить механизм возникновения свободных электрических колебаний и энергетические преобразования в колебательном контуре; сформировать у студентов представление о переменный ток и способы его получения.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Демонстрации

15 мин.

Свободные электрические колебания

Изучение нового материала

50 мин.

1. Простейший колебательный контур.

2. Свободные и вынужденные электромагнитные колебания, колебательный контур.

3. Переменный электрический ток.

4. Получение переменного тока.

Закрепление изученного материала

25 мин.

1. Учимся решать задачи.

2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Простейший колебательный контур

Как вы уже знаете, электрический ток может быть постоянным или переменным. Наибольшее распространение в мире получил переменный ток частотой 50-60 Гц, создаваемый индукционными генераторами. Однако для работы многих устройств (компьютеры, приемники, телефоны и др.) необходимые переменные токи высоких частот, измеряемых килогерцами (кГц) и мегагерцами (МГц). Для их создания применяют специальные электрические цепи - колебательные контуры.

Любой колебательный контур состоит из конденсатора и катушки индуктивности. Рассмотрим его работу на опыте. Для этого соберем круг по схеме (рис. а). Сначала конденсатор получает энергию от источника постоянного тока. При этом верхняя пластина заряжается положительно, а нижняя негативно - на ней накапливается избыток электронов. Перемкнём конденсатор на катушку индуктивности (рис. б). Избыток электронов из нижней пластины конденсатора перекинется через катушку к верхней пластины, и в цепи возникнет нарастающий электрический ток. В результате этого катушка становится электромагнитом и создает вокруг себя магнитное поле.

Через явление самоиндукции после разрядки конденсатора ток не прекращается мгновенно, а будет продолжать течь еще некоторое время в том же направлении, снова заряжая пластины конденсатора. После этого весь процесс повторится в обратном направлении, и колебательный контур вернется в исходное состояние.

Описанный процесс перезарядки конденсатора через катушку повторяется через равные промежутки времени. При этом периодически меняются значения электрического заряда конденсатора, напряжения на нем и силы тока в контуре.

Периодические изменения электрического заряда, силы тока и напряжения в цепях называют электромагнитными колебаниями.

При отсутствии потерь энергии в контуре электромагнитные колебания будут гармоническими, т.е. значение электрического заряда, силы тока и напряжения в цепи изменяются по закону синуса или косинуса.

Английский физик Томсон вывел формулу для периода электромагнитных колебаний в контуре:

Используя формулу Томсона, можно определить собственную частоту колебаний колебательного контура:

2.Свободные и вынужденные электромагнитные колебания, колебательный контур.

В электрических цепях, так же как и в механических системах, таких как груз на пружине или маятник, могут возникать свободные колебания.

Электромагнитными колебаниями называют периодические взаимосвязанные изменения заряда, силы тока и напряжения.

Свободными колебаниями называют такие, которые совершаются без внешнего воздействия за счет первоначально накопленной энергии.

Вынужденными называются колебания в цепи под действием внешней периодической электродвижущей силы

Свободные электромагнитные колебания – это периодически повторяющиеся изменения электромагнитных величин (q – электрический заряд, I – сила тока, U – разность потенциалов), происходящие без потребления энергии от внешних источников.

Простейшей электрической системой, способной совершать свободные колебания, является последовательный RLC-контур или колебательный контур.

Колебательный контур – это система, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкости C, катушки индуктивности L и проводника с сопротивлением R

Рассмотрим закрытый колебательный контур, состоящий из индуктивности L и емкости С.

Чтобы возбудить колебания в этом контуре, необходимо сообщить конденсатору некоторый заряд от источника ε. Когда ключ K находится в положении 1, конденсатор заряжается до напряжения. После переключения ключа в положение 2 начинается процесс разрядки конденсатора через резистор R и катушку индуктивности L. При определенных условиях этот процесс может иметь колебательный характер

Свободные электромагнитные колебания можно наблюдать на экране осциллографа.

Как видно из графика колебаний, полученного на осциллографе, свободные электромагнитные колебания являются затухающими, т.е. их амплитуда уменьшается с течением времени. Это происходит потому, что часть электрической энергии на активном сопротивлении R превращается во внутреннюю энергии проводника (проводник нагревается при прохождении по нему электрического тока).

Рассмотрим, как происходят колебания в колебательном контуре и какие изменения энергии при этом происходят. Рассмотрим сначала случай, когда в контуре нет потерь электромагнитной энергии (R = 0).

Если зарядить конденсатор до напряжения U₀ то в начальный момент времени t₁=0 на обкладках конденсатора установятся амплитудные значения напряжения U₀ и заряда q₀ = CU₀.

Полная энергия W системы равна энергии электрического поля W_эл:

Если цепь замыкают, то начинает течь ток. В контуре возникает э.д.с. самоиндукции

Вследствие самоиндукции в катушке конденсатор разряжается не мгновенно, а постепенно (так как, согласно правилу Ленца, возникающий индукционный ток своим магнитным полем противодействует тому изменению магнитного потока, которым он вызван. Т.е. магнитное поле индукционного тока не дает мгновенно увеличиться магнитному потоку тока в контуре). При этом ток увеличивается постепенно, достигая своего максимального значения I₀ в момент времени t₂=T/4, а заряд на конденсаторе становится равным нулю.

По мере разрядки конденсатора энергия электрического поля уменьшается, но одновременно возрастает энергия магнитного поля. Полная энергия контура после разрядки конденсатора равна энергии магнитного поля W_м:

В следующий момент времени ток течет в том же направлении, уменьшаясь до нуля, что вызывает перезарядку конденсатора. Ток не прекращается мгновенно после разрядки конденсатора вследствие самоиндукции (теперь магнитное поле индукционного тока не дает магнитному потоку тока в контуре мгновенно уменьшиться). В момент времени t₃=T/2 заряд конденсатора опять максимален и равен первоначальному заряду q = q₀, напряжение тоже равно первоначальному U = U₀, а ток в контуре равен нулю I = 0.

Затем конденсатор снова разряжается, ток через индуктивность течёт в обратном направлении. Через промежуток времени Т система приходит в исходное состояние. Завершается полное колебание, процесс повторяется.

График изменения заряда и силы тока при свободных электромагнитных колебаниях в контуре показывает, что колебания силы тока отстают от колебаний заряда на π/2.

В любой момент времени полная энергия:

При свободных колебаниях происходит периодическое превращение электрической энергии W_э, запасенной в конденсаторе, в магнитную энергию W_м катушки и наоборот. Если в колебательном контуре нет потерь энергии, то полная электромагнитная энергия системы остается постоянной.

Свободные электрические колебания аналогичны механическим колебаниям. На рисунке приведены графики изменения заряда q(t) конденсатора и смещения x(t) груза от положения равновесия, а также графики тока I(t) и скорости груза υ(t) за один период колебаний.

В отсутствие затухания свободные колебания в электрическом контуре являются гармоническими, то есть происходят по закону

q(t) = q₀cos(ωt + φ₀)

Параметры L и C колебательного контура определяют только собственную частоту свободных колебаний и период колебаний - формула Томпсона

Амплитуда q₀ и начальная фаза φ₀ определяются начальными условиями, то есть тем способом, с помощью которого система была выведена из состояния равновесия.

Для колебаний заряда, напряжения и силы тока получаются формулы:

Для конденсатора:

q(t) = q₀cosω₀t

U(t) = U₀cosω₀t

Для катушки индуктивности:

i(t) = I₀cos(ω₀t + π/2)

U(t) = U₀cos(ω₀t + π)

Вспомним основные характеристики колебательного движения:

q_0,U₀, I₀ - амплитуда – модуль наибольшего значения колеблющейся величины

Т - период – минимальный промежуток времени через который процесс полностью повторяется

ν - Частота – число колебаний в единицу времени

ω - Циклическая частота – число колебаний за 2п секунд

φ - фаза колебаний - величина, стоящая под знаком косинуса (синуса) и характеризующая состояние системы в любой момент времени.

3. Переменный электрический ток.

Переменным током называют электрический ток, который периодически изменяется по величине и направлению.

Электрический ток, который возникает под действием ЭДС, изменяющейся по гармоническому закону, называется переменным током. Переменные ЭДС, ток, напряжение меняют во времени свою величину и направление с определённой частотой. Из формулы (2) вытекает, что Emax (следовательно, и ЭДС индукции) находится в прямой зависимости от величин ω, В и S. В Украине принята стандартная частота тока 2 ω ν = π = 50 Гц (в США и Японии – 60 Гц), поэтому возможно лишь возрастание двух остальных величин. Для увеличения применяют мощные постоянные магниты или в электромагнитах пропускают значительный ток, а также внутрь электромагнита помещают сердечники из материалов с большой магнитной проницаемостью µ. Если вращать не один, а ряд витков, соединенных последовательно, то тем самым увеличивается S. Переменное напряжение снимается с вращающегося витка с помощью щеток, схематически изображенных на рис. 1. Процесс превращения механической энергии в электрическую обратим. Если по рамке, помещенной в магнитное поле, пропускать ток, то на нее будет действовать вращающий момент и рамка начнет вращаться. На этом принципе основана работа электродвигателей, предназначенных для превращения электрической энергии в механическую.

Вынужденные электромагнитные колебания. Электрические лампы в наших квартирах и на улице, холодильник и пылесос, телевизор и магнитофон работают, используя энергию электромагнитных колебаний.

На применении электромагнитных колебаний основана работа электромоторов, приводящих в действие станки на заводах и фабриках, движущих электровозы.

Во всех этих примерах речь идет об использовании переменного электрического тока. Переменный электрический ток в энергетических электрических цепях является результатом возбуждения в них вынужденных электромагнитных колебаний. Эти вынужденные колебания создаются генераторами переменного тока, работающими на электростанциях.

Виток в однородном магнитном поле. Для выяснения принципа действия генератора переменного тока рассмотрим сначала, что происходит при вращении витка провода в однородном магнитном поле.

Пусть плоский виток имеет площадь и вектор индукции составляет с перпендикуляром к плоскости витка угол (рис. 1).

Рис. 1.

Магнитный поток через площадь витка в этом случае определяется следующим выражением:

. (1)

При вращении витка с частотой угол изменяется по закону , тогда выражение (68.1) примет вид

. (2)

Изменения магнитного потока создают ЭДС индукции в витке, согласно закону электромагнитной индукции равную производной потока магнитной индукции, взятой со знаком минус:

. (3)

Следовательно, изменения ЭДС индукции со временем будут происходить по гармоническому закону:

. (4)

Если с помощью контактных колец и скользящих по ним щеток соединить концы витка с электрической цепью, то под действием этой ЭДС индукции в электрической цепи возникнут вынужденные гармонические колебания силы тока - переменный ток.

На производстве и в быту гораздо чаще используют переменный ток, чем постоянный.

4.Получение переменного тока.

Переменный ток получают при помощи генераторов переменного тока с использованием явления электромагнитной индукции. Представим проводник в виде рамки площадью S, которая равномерно вращается с угловой скоростью ω в однородном магнитном поле (магнитная индукция перпендикулярна к оси вращения рамки). Магнитный поток через рамку Ф = ВScosα, где α - угол между вектором нормали к площади рамки и линиями магнитной индукции.

Если начать отсчет времени в момент, когда вектор направленный вдоль линий магнитной индукции, то начальное значение угла α равен нулю, а зависимость угла от времени имеет вид: α = ωt, поэтому Ф = BScosωt.

Изменение магнитного потока приводит к возникновению в рамке ЭДС индукции . Согласно закону электромагнитной индукции Скорость изменения магнитного потока ΔФ/Δt с точки зрения математики является производной функции Ф(t), поэтому

Таким образом, рассматриваемая рамка является источником ЭДС, выполняет гармонические колебания с амплитудой Если рамка состоит из N витков, то амплитуда ЭДС увеличивается в N раз:

Чтобы воспользоваться полученной ЭДС, можно прикрепить подвижные концы рамки до неподвижных контактов внешнего электрического круга. Можно, например, обеспечить, чтобы металлическое кольцо от каждого из концов рамки скользило по своему упругому контакту (щетке). Тогда щетки можно рассматривать, как полюсы источников тока.

Если присоединить к этим полюсам резистор сопротивлением R, напряжение на резисторе будет совпадать с ЭДС в рамке: а сила тока в резисторе будет:

Амплитуда силы тока в этом выражении Период переменного тока, а его частота

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Что такое свободные и вынужденные колебания?

2. Почему колебания в колебательном контуре не прекращаются в тот момент, когда заряд конденсатора становится равным нулю?

3. Возникнут ли колебания в колебательном контуре, если заменить катушку индуктивности резистором?

4. Какие превращения энергии происходят во время свободных незатухающих колебаний в колебательном контуре?

Второй уровень

1. Или будут происходить электрические колебания в контуре, если передать энергию катушке индуктивности, а не конденсатору?

2. Чему равна энергия контура в произвольный момент времени?

3. От чего зависит период свободных электромагнитных колебаний в контуре?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Где сосредоточится энергия при свободных колебаниях в контуре через 1/8, 1/4, 1/2 и 3/4 периода после того, как начнет разряжаться конденсатор?

2. Период свободных электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора емкостью 400 мкФ и катушки с индуктивностью 90 мГн?

3. Какая частота свободных электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из конденсатора емкостью 250 пФ и катушки с индуктивностью 40 мкГн?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Электрическим колебательным контуром называется электрическая цепь, состоящая из конденсатора С и катушки L.

Формула Томсона:

Домашнее задание

1. Подр.: § 27 – 31..

2. Упр. № 1,3.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема: Решение задач.

Цель: продолжить формирование умений решения задач по электромагнитным колебаниям.

Задачи:

Образовательная: повторить основные величины, понятия и формулы по электромагнитным колебаниям при помощи фронтального опроса; совершенствовать навык решения задач.

Развивающая: развить умение решать задачи по физике

Воспитательная: повысить интерес к предмету

Тип урока: закрепление знаний

План урока:

Организационный момент 2 мин

Проверка домашнего задания 25 мин

Решение задач 58 мин

Итог 3 мин

5. Разъяснение домашнего задания 2 мин

Ход урока

1. Взаимное приветствие.

2. Фронтальный опрос

Какие колебания называются электромагнитными?

(Электромагнитными колебаниями называются периодические изменения заряда, силы тока и напряжения, сопровождающиеся взаимными превращениями энергии электрического и магнитного полей)

Что называется, колебательным контуром? Идеальным? (Замкнутая электрическая цепь, состоящая из конденсатора емкости С и катушки индуктивности L, называется колебательным контуром. Если сопротивление проводов =0, то контур называется идеальным)

Какие колебания называются свободными? (Колебания, возникающие в системе под действием внутренних сил, называются свободными)

Какие колебания называются гармоническими? (Периодические изменения физической величины, происходящие по закону синуса или косинуса в зависимости от времени, называются гармоническими колебаниями)

Что такое собственная циклическая частота колебательной системы? (Величина ω=2πν, равная числу колебаний за 2π секунд, называется собственной циклической частотой)

Что называется, периодом колебаний? (Период колебаний – это время, в течение которого совершается одно полное колебание)

Что называется, амплитудой колебаний? (Наибольшее значение колеблющейся величины называется амплитудой колебаний)

Что такое фаза колебаний? (Аргумент косинуса или синуса в уравнении φ= (ω₀t+ φ₀) называется фазой колебаний

По какой формуле рассчитать энергию электрического поля

По какой формуле рассчитать энергию магнитного поля
Чему равна полная энергия?

3. Решение задач у доски и на опережение в тетрадях

1. Колебательный контур содержит конденсатор электроемкостью С=8 пФ и катушку индуктивностью L=0,5 мГн. Максимальная сила тока в катушке 1_т=40 мА. Определите максимальное напряжение на обкладках конденсатора.

Дано: СИ

С=8 пФ 8∙10^-12Ф

L=0,5 мГн 0,5∙10^-3Гн

1_т=40 мА 40∙10^-3А

Найти:

U_m-?

Решение:

W_Э=W_М

Ответ: U_m=317В

2. Колебательный контур имеет индуктивность L=1,6 мГн и электроемкость С=0,04 мкФ, максимальное напряжение на конденсаторе U_m=200 В. Определите максимальную силу тока в контуре, считая его идеальным.

Дано: СИ

С=0,04 мкФ 0,04∙10^-6Ф

L=1,6 мГн 1,6∙10^-3Гн

U_т=300В

Найти:

I_m-?

Решение

W_Э=W_М

Ответ: Im=1А

3. Колебательный контур состоит из конденсатора емкостью С=4,9мкФ и катушки индуктивностью L=1 Гн. Амплитуда колебаний заряда на обкладках конденсатора 0,5 мкКл. Напишите уравнение колебаний заряда

Дано: СИ

С=4,9 мкФ 4,9∙10^-6Ф

L=1 Гн

q_т=0.5 мкКл 0.5∙10^-6 Кл

Найти:

q(t) - ?

Решение

q(t)=q_mcos ωt

q_m=0.5∙10^-6 Кл

=2∙π∙(4,9∙10^-6∙1)^1/2

ω=2π/Т =1/(4,9∙10^-6∙1)^1/2 =451

q(t)= 0.5∙10^-6cos (451) t

Ответ: q(t)= 0.5∙10^-6cos (451)t

4. Определите период собственных колебаний колебательного контура, состоящего из катушки индуктивностью L=0,1 Гн и конденсатора емкостью С=2 мкФ.

Дано: СИ

С=2 мкФ 2∙10^-6Ф

L=0,1Гн

Найти:

Т-?

Решение:

Ответ : Т=2,8∙10^-3 с

5. Частота свободных колебаний колебательного контура, содержащего катушку индуктивностью L=0,04 Гн, равна v=800 Гц. Какова емкость конденсатора этого контура?

Дано:

L=0,04 Гн

ν=800Гц

Найти:

С -?

Решение:

Ответ: ν=1 мкФ

Дано:

i =20 Cos 100πt

Найти:

I_m - ?

ω- ?

T- ?

I(t)- ?

Решение:

1. вид колебаний: Гармонические колебания.

2. уравнение в общем виде: i = I_m Cos ω t

3. сравнение общего уравнения с данным: Увидели, что I_m =20А, а ω = 100π.

4. Для построения графика нужны: I_m и T.
I_m - нашли, а теперь найдём T из формулы T = ; T = .

5. построим оси координат; переменный ток, время

6. Зная с алгебры промежутки возрастания и убывания функции y = Cosx, мы построим схематично график. T = 0,02с. 7.Проведем плавную линию.

График колебаний по уравнению i =20 Cos 100πt. выглядит следующим образом:
9. Сила тока в цепи переменного тока меняется со временем по закону i =20 Cos 100πt. Определить характеристики колебательной системы и построить график данного колебательного процесса.

4. Подведение итога, выставление оценок

Д/З

Задачи аналогичные разобранным на уроке

Повторить § 1.1, § 1.2, § 1.3

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема. Электрический резонанс. Автоколебания. Трансформаторы. Производство, передача и использование электрической энергии.

Цель урока: ознакомить студентов с одним из основных направлений научно-технического прогресса - развитием энергетики.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	20 мин.	1.Свободные и вынужденные электромагнитные колебания, колебательный контур. 2. Как определяется энергия магнитного поля? 3. Получение переменного тока.
Демонстрации	10 мин.	Строение и принцип действия трансформатора
Изучение нового материала	45 мин.	1. Резонанс. Автоколебания. 2. Генератор переменного тока 3. Основные этапы производства, передачи и потребления электроэнергии. 4. Производство электроэнергии. 5. Передача электроэнергии. 6. Трансформаторы
Закрепление изученного материала	15 мин.	1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Резонанс. Автоколебания.

Зарядка конденсатора аналогичное отклонению пружинного маятника от положения равновесия, а энергия электрического поля заряженного конденсатора - потенциальной энергии деформированной пружины.

Если конденсатор заряжен до напряжения Um, то его заряд будет равен qm = CUm . В этом состоянии энергия электрического поля максимальна и равна . Это состояние эквивалентно состоянию пружинного маятника, когда пружину растянули на х и передали механической колебательной системе потенциальную энергию . Когда конденсатор полностью разрядится, энергия магнитного поля максимальна и равна . Это состояние эквивалентно состоянию пружинного маятника, когда груз на пружине в положении равновесия имеет максимальную скорость. Кинетическая энергия маятника при этом равна . Когда сила тока уменьшится до нуля, конденсатор окажется перезаряженным. Если потерь энергии в контуре нет, напряжение и заряд конденсатора равны начальным. Во время колебания груза на пружине этому моменту соответствует его остановка в крайнем верхнем положении, когда потенциальная энергия максимальна.

Затем конденсатор снова начнет разряжаться и в контуре возникнет ток обратного направления, энергия электрического поля заряженного конденсатора будет уменьшаться, а магнитного - расти. В определенный момент времени конденсатор разрядится, сила тока и энергия магнитного поля достигнут максимальных значений. Это соответствует прохождению грузом положения равновесия.

Необходимо подчеркнуть еще раз, что максимальная энергия, накопленная в конденсаторе, во время колебаний преобразуется в энергию магнитного поля катушки. Процесс превращения одного вида энергии в другой продлится до тех пор, пока в круге будут происходить колебания.

Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.

Осциллограмма показывает, что колебания в колебательном контуре являются затухающими. Так происходит потому, что катушка индуктивности и соединительные провода имеют электрическое сопротивление. Итак, согласно закону Джоуля-Ленца, энергия электрического тока будет постепенно превращаться в теплоту. Поскольку свободные колебания в контуре всегда являются затухающими, колебательный контур необходимо постоянно заправляться энергией от внешнего источника питания. Для этого необходимо соединить колебательный контур с внешним источником переменного напряжения. В этом случае колебания будут вынужденными.

Резонанс - явление, которое заключается в том, что при некоторой частоты змушувальнои силы колебательная система оказывается особенно чувствительной к действию этой силы. В колебательном контуре сила тока максимальна, если частота переменного напряжения, приложенного к контуру, равна собственной частоте контура:

Резонансом в электрическом колебательном контуре называется явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура.

Чтобы обеспечить резонанс колебательный контур периодически с частотой колебаний в контуре подключают к источнику тока. Сам же колебательный контур управляет этими подключениями с помощью электронного устройства (например, транзистора).

Автоколеба́ния — незатухающие колебания в диссипативной динамической системе с нелинейной обратной связью, поддерживающиеся за счёт энергии постоянного, то есть непериодического внешнего воздействия.

Автоколебания отличаются от вынужденных колебаний тем, что последние вызваны периодическим внешним воздействием и происходят с частотой этого воздействия, в то время как возникновение автоколебаний и их частота определяются внутренними свойствами самой автоколебательной системы.

Примерами автоколебаний могут служить:

незатухающие колебания маятника часов за счёт постоянного действия тяжести заводной гири;

колебания скрипичной струны под воздействием равномерно движущегося смычка

возникновение переменного тока в цепях мультивибратора и в других электронных генераторах при постоянном напряжении питания;

колебание воздушного столба в трубе орга́на, при равномерной подаче воздуха в неё. (см. также Стоячая волна)

флаттер и бафтинг элементов конструкции летательного аппарата.

Автоколебания лежат в основе многих явлений природы:

колебания листьев растений под действием равномерного потока воздуха;

образование турбулентных потоков на перекатах и порогах рек;

голоса людей, животных и птиц образуются благодаря автоколебаниям, возникающим при прохождении воздуха через голосовые связки;

действие регулярных гейзеров и пр.

На автоколебаниях основан принцип действия большого количества всевозможных технических устройств и приспособлений, в том числе:

работа всевозможных часов, как механических, так и электрических;

звучание всех духовых и струнно-смычковых музыкальных инструментов;

действие всевозможных генераторов электрических и электромагнитных колебаний, применяемых в электротехнике, радиотехнике и электронике;

работа поршневых паровых машин и двигателей внутреннего сгорания;

некоторые системы автоматического регулирования работают в режиме автоколебаний, когда регулируемая величина колеблется в окрестности требуемого значения, то превышая его, то опускаясь ниже него, в допустимом для целей регулирования диапазоне (например, система терморегулирования бытового холодильника).

В то же время, в некоторых технических системах автоколебания могут возникать без специального намерения конструкторов этих систем, в результате неудачного выбора их технических параметров. Такие автоколебания могут быть нежелательными (например, «рычание» водопроводного крана при определённых расходах воды), а зачастую разрушительными, являющимися причиной аварий c тяжёлыми последствиями, когда речь идёт о системах с большими уровнями энергии, циркулирующей в них. Например:

в турбинах электростанций;

в реактивных авиационных (помпаж) и ракетных двигателях;

в магистралях газов и жидкостей высокого давления;

флаттер различных элементов летательных аппаратов;

ветровой резонанс — автоколебания высотных сооружений со значительным аэродинамическим сопротивлением при воздействии ветра определённой скорости (возникновение вихрей Кармана) и др.

Вынужденные колебания – это незатухающие колебания. Неизбежные потери энергии на трение компенсируются подводом энергии от внешнего источника периодически действующей силы. Существуют системы, в которых незатухающие колебания возникают не за счет периодического внешнего воздействия, а в результате имеющейся у таких систем способности самой регулировать поступление энергии от постоянного источника. Такие системы называются автоколебательными, а процесс незатухающих колебаний в таких системах – автоколебаниями.

В автоколебательной системе можно выделить три характерных элемента – колебательная система, источник энергии и устройство обратной связи между колебательной системой и источником. В качестве колебательной системы может быть использована любая механическая система, способная совершать собственные затухающие колебания (например, маятник настенных часов).

Источником энергии может служить энергия деформация пружины или потенциальная энергия груза в поле тяжести. Устройство обратной связи представляет собой некоторый механизм, с помощью которого автоколебательная система регулирует поступление энергии от источника. На рис. 3 изображена схема взаимодействия различных элементов автоколебательной системы.

Рисунок 3. Функциональная схема автоколебательной системы.

Примером механической автоколебательной системы может служить часовой механизм с анкерным ходом (рис. 4). Ходовое колесо с косыми зубьями жестко скреплено с зубчатым барабаном, через который перекинута цепочка с гирей. На верхнем конце маятника закреплен анкер (якорек) с двумя пластинками из твердого материала, изогнутыми по дуге окружности с центром на оси маятника. В ручных часах гиря заменяется пружиной, а маятник – балансиром – маховичком, скрепленным со спиральной пружиной.

Балансир совершает крутильные колебания вокруг своей оси. Колебательной системой в часах является маятник или балансир. Источником энергии – поднятая вверх гиря или заведенная пружина. Устройством, с помощью которого осуществляется обратная связь, является анкер, позволяющий ходовому колесу повернуться на один зубец за один полупериод.

Обратная связь осуществляется взаимодействием анкера с ходовым колесом. При каждом колебании маятника зубец ходового колеса толкает анкерную вилку в направлении движения маятника, передавая ему некоторую порцию энергии, которая компенсирует потери энергии на трение. Таким образом, потенциальная энергия гири (или закрученной пружины) постепенно, отдельными порциями передается маятнику.

Механические автоколебательные системы широко распространены в окружающей нас жизни и в технике. Автоколебания совершают паровые машины, двигатели внутреннего сгорания, электрические звонки, струны смычковых музыкальных инструментов, воздушные столбы в трубах духовых инструментов, голосовые связки при разговоре или пении и т. д.

2. Генератор переменного тока

Сейчас существует много различных типов индукционных генераторов. Но все они состоят из одних и тех же основных частей. Это, во-первых, электромагнит или постоянный магнит, создающий магнитное поле, и, во-вторых, обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС (обычно это вращающаяся рамка).

Поскольку ЭДС, приводят в последовательно соединенных витках, добавляются, то амплитуда ЭДС индукции в рамке пропорциональна числу витков в ней. Она пропорциональна также амплитуде переменного магнитного потока через каждый виток.

Принцип действия генератора переменного тока такой. Для получения большого магнитного потока в генераторах применяют специальную магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, размещены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из сердечников (обычно внутренний) вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому он называется ротором. Неподвижный сердечник с его обмоткой называют статором. Зазор между сердечниками статора и ротора делают как можно меньше для увеличения потока магнитной индукции.

Магнитное поле создает неподвижный постоянный магнит. Разумеется, можно было бы поступить и наоборот: вращать магнит, а рамку оставить неподвижной.

В больших промышленных генераторах вращается именно электромагнит, который является ротором, в то время как обмотки, в которых наводится ЭДС, уложены в пазы статора и остаются неподвижными. Дело в том, что подводить ток к ротору или уводить его из обмотки ротора в внешний круг приходится с помощью скользящих контактов. Для этого ротор обеспечивают контактными кольцами, присоединенными к концам его обмотки.

Неподвижные пластины - щетки - прижаты к кольцам и обеспечивают связь обмотки ротора с внешним кругом. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, что отдает генератор внешний круг. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие контакты подводить сравнительно слабый ток до вращающегося электромагнита.

В маломощных генераторах магнитное поле создает вращающийся постоянный магнит. В таком случае кольца и щетки вообще не нужны.

Появление ЭДС в неподвижных обмотках статора объясняют возникновением в них вихревого электрического поля, обусловленного изменением магнитного потока во время вращения ротора.

Современный генератор электрического тока - это большое сооружение из медных проводов, изоляционных материалов и стальных конструкций. За размеров в несколько метров важнейшие детали генераторов изготавливаются с точностью до миллиметра. Нигде в природе нет такого соединения подвижных частей, которые могли бы порождать электрическую энергию столь же непрерывно и экономично.

3. Основные этапы производства, передачи и потребления электроэнергии

1) Механическую энергию преобразуют в электрическую с помощью генераторов на электростанциях;

2) электрическое напряжение повышают для передачи электроэнергии на большие расстояния;

3) электроэнергию передают под высоким напряжением по высоковольтным линиям электропередач;

4) во время распределения электроэнергии потребителям электрическую напряжение снижают;

5) во время потребления электроэнергии ее превращают в другие виды энергии - механическую, световую или внутреннюю.

4. Производство электроэнергии

Электроэнергию вырабатывают в основном на электростанциях трех типов:

1) тепловых электростанциях (более 50 %);

2) гидроэлектростанциях (20-25 %);

3) атомных электростанциях (15 %).

На электростанциях механическую энергию преобразуют в электрическую с помощью индукционных генераторов, в которых используют явление электромагнитной индукции.

Механической энергией на гидроэлектростанциях является кинетическая энергия воды, что падает. Механическую энергию получают из внутренней энергии с помощью тепловых двигателей (обычно паровых турбин). На тепловых электростанциях внутренняя энергия выделяется при сжигании нефти, угля или газа, а на атомных - в результате деления атомных ядер радиоактивных веществ (преимущественно урана).

5. Передача электроэнергии

На электростанциях электрическая энергия вырабатывается под напряжением в десятки тысяч вольт. Затем для уменьшения потерь при передаче на большие расстояния напряжение повышают в десятки раз - до сотен тысяч вольт. Распределяя электроэнергию по потребителям, напряжение ради безопасности снижают в тысячи раз (до 220 В в жилых помещениях). Для повышения и понижения напряжения используют трансформаторы, действие которых основано на явлении электромагнитной индукции.

Главная причина потерь во время передачи энергии - это нагрев проводов, то есть превращение электрической энергии во внутреннюю: из-за того, что сопротивление проводов не равна нулю, что идет вдоль проводов, энергия электрических и магнитных полей частично «убегает» в провода, вызывая их нагрев.

Как уменьшить эти потери?

Закон Джоуля-Ленца утверждает, что в проводнике при прохождении тока выделяется количество теплоты Q, прямо пропорциональна квадрату силы тока, сопротивлению проводника R и времени прохождения тока t: Q = I2Rt. Поэтому для того, чтобы уменьшить, нагрев проводов данного сопротивления, надо уменьшить силу тока в проводах.

Однако для сохранения той же передаваемой мощности уменьшение силы тока в несколько раз должно сопровождаться увеличением напряжения в такое же количество раз, потому что мощность, передаваемая потребителю, равна произведению UI, где U - напряжение, под которой передана электроэнергия. В высоковольтных линиях электропередач напряжение составляет сотни тысяч вольт - в тысячи раз больше, чем в проводах, что размещено внутри квартир (срединно-квартирная проводка обычно имеет напряжение 220 В).

Хотя высокое напряжение и имеет описанные выше большие преимущества, но у нее есть и огромный недостаток: она опасна для жизни. Поэтому, прежде чем передать ее потребителю, напряжение в несколько этапов снижают в тысячи раз - до сотен вольт.

Однако и после этого понижения напряжения в домашней проводке, что равняется обычно 220 В, все-таки опасно: поражение электрическим током может вызвать даже напряжение в 30 В. Ток внутри тела человека идет преимущественно нервными сетями, нарушая их работу, а также управляемую ими работу сердца и дыхания. Ток силой 0,025 А вызывает непродолжительный паралич (это примерно ток в настольной лампе), а ток силой 0,1 А является смертельным.

6. Трансформаторы

Электрический ток никогда не получил бы такого широкого применения, если бы его нельзя было превратить почти без потерь энергии. Преобразование переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз практически без потери мощности, осуществляется с помощью трансформаторов.

Трансформатор - устройство, применяемое для повышения или понижения напряжения переменного тока.

Простейший трансформатор представляет собой две катушки, намотанные на общий стальной сердечник. Одна катушка подключается к источнику переменного напряжения (эта катушка называется первичной обмоткой), а с другой катушки (вторичной обмотки) снимают переменное напряжение для дальнейшей ее передачи.

Переменный ток в первичной обмотке создает переменное магнитное поле. Благодаря стальном сердечнике вторичную обмотку, намотанную на тот же сердечник, пронизывает практически такое же переменное магнитное поле, что и первичную.

Поскольку все витки пронизывает тот же переменный магнитный поток в каждом витке вследствие явления электромагнитной индукции генерируется и само напряжение. Поэтому отношение напряжений U1 и U2 на первичной и вторичной обмотках равно отношению количества в них витков:

Изменение напряжения трансформатором характеризует коэффициент трансформации.

Коэффициент трансформации - величина, равная отношению напряжений в первичной и вторичной обмотках трансформатора:

Повышающий трансформатор - трансформатор, увеличивает напряжение (U2 > U1). У повышающего трансформатора число витков N2 во вторичной обмотке должно быть больше числа витков N1 в первичной обмотке, т.е. k 1.

Понижающий трансформатор - трансформатор, уменьшающий напряжение (U2 U1). У понижающего трансформатора число витков во вторичной обмотке должно быть меньше количество витков в первичной обмотке, то есть k > 1.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. В чем заключается закон электромагнитной индукции?

2. Какие преимущества имеет переменный электрический ток по сравнению с постоянным?

3. На каком принципе основана работа генератора переменного тока?

4. С какой целью в генераторе электрического тока используют скользящие контакты (так называемые щетки)?

5. Какое явление используют во время производства электроэнергии на электростанциях?

6. Почему электрическую энергию на значительные расстояния передают под высоким напряжением?

7. Почему, прежде чем подать потребителям электрическую напряжение, ее снижают?

8. На каком принципе основана работа трансформатора?

Второй уровень

1. Почему основным элементом генератора является рамка, вращающаяся в магнитном поле?

2. Почему в реальном генераторе вместо рамки используют катушку с большим количеством витков?

3. Почему за равномерные вращения рамки в постоянном магнитном поле в ней индуцируется не постоянный, а переменный ток?

4. Какие свойства электрической энергии определяют ее значение в современной технике?

5. Какая энергия превращается в электрическую?

6. Можно трансформировать постоянный ток?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Назовите основные типы электростанций. Приведите примеры электростанций различных типов.

2. Почему стандартная частота переменного тока во всех странах меньше 100 Гц?

3. Почему не применяют для освещения переменный ток с частотой 10 Гц?

4. Какое главное преимущество переменного тока перед постоянным?

5. В какой из обмоток понижающего трансформатора (первичной или вторичной) диаметр проводов должен быть больше? Ответ объясните.

6. Для чего сердечник трансформатора набирают из тонких стальных пластин, изолированных друг от друга?

2). Учимся решать задачи

1. Прямоугольная рамка со сторонами 5 и 8 см вращается вокруг вертикальной оси с периодом 0,02 с в однородном магнитном поле индукцией 0,2 Тл, напрямленою перпендикулярно к оси вращения. Найдите максимальную ЭДС, индуцированную в рамке, и зависимость ЭДС от времени. (Ответ: 0,63 В)

2. Найдите частоту вращения катушки с числом витков N = 20 в однородном магнитном поле индукцией 0,5 Тл, если максимальная ЭДС в катушке 7,85 В, а площадь сечения одного витка 25 см2. (Ответ: 50 Гц)

3. Рамка площадью 80 см2 равномерно вращается с угловой скоростью 20 1/с в магнитном поле индукцией 20 мТл. Амплитудное значение ЭДС в рамке равна 0,64 В. Сколько витков в рамке?

4. В первичной обмотке 200 витков, а во вторичной - 25 витков. Повышает или понижает напряжение этот трансформатор? Во сколько раз?

5. Трансформатор повышает напряжение от 10 В до 200 В. Сколько витков во вторичной обмотке трансформатора, если первичная обмотка содержит 600 витков?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Генератор переменного тока является электромеханическим устройством, которое преобразует механическую энергию в электрическую энергию переменного тока.

Трансформатор - устройство, применяемое для повышения или понижения напряжения переменного тока.

Домашнее задание

1. Подр.: § 32 - 41. .

2. Упр. 5 № 4,5,7.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема. Электромагнитные волны

Цель урока: объяснить механизм возникновения электромагнитных волн; ознакомить студентов с экспериментальным свидетельством существования электромагнитных волн.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	4 мин.	1. Свободные электромагнитные колебания. 2. Превращение энергии в колебательном контуре. 3. Резонанс
Демонстрации	2 мин.	Открытый колебательный контур
Изучение нового материала	29 мин.	1. Излучение энергии электрическим зарядом. 2. Открытый колебательный контур. 3. Электромагнитная волна 4. Распространение электромагнитных волн. 5. Вибратор Герца. 6. Результаты опытов
Закрепление изученного материала	10 мин.	1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Излучение энергии электрическим зарядом

Электрический заряд, движущийся в пустоте равномерно, не излучает энергии. Это очевидно из принципа относительности, согласно которому все инерционные системы отсчета равноправны. В системе, движущейся с зарядом, он неподвижен, а неподвижные заряды не излучают.

Иная картина возникает в том случае, когда заряд под действием внешних сил движется с ускорением. Поле обладает энергией, а значит и массой, образно говоря, отрывается от заряда и излучается в пространство со скоростью света. Излучение происходит до тех пор, пока на заряд действует внешняя сила, что передает ему ускорение.

Только заряды, движущиеся с ускорением, могут передавать энергию посредством создаваемого ими электромагнитного поля.

2. Открытый колебательный контур

Во время электромагнитных колебаний в контуре заряд пластин конденсатора периодически то увеличивается, то уменьшается. Следовательно, электрическое поле, существующее между его пластинами, периодически меняется: то усиливается, то ослабевает. С такой же частотой, как и изменение заряда на пластинах конденсатора, меняется и магнитное поле вокруг катушки индуктивности.

в 1864 г. английский ученый Дж. Максвелл создал теорию, которая утверждала, что электрическое и магнитное поля наблюдаются «отдельно друг от друга» только в том случае, если каждое из них не меняется со временем. А поскольку электрическое и магнитное поля контура непостоянные, то в пространстве вокруг контура существует переменное электромагнитное поле, и оно быстро ослабевает при удалении от контура.

Поскольку мы изучаем излучение и прием электромагнитных волн, то важно, чтобы электромагнитное поле контура «получилось» в окружающее пространство на значительное расстояние. Рассмотрим, как этого достичь.

Представим, что пластины конденсатора постепенно отодвигают друг от друга (см. рисунок). При этом переменное электромагнитное поле, которое существует между пластинами, оказывается снаружи колебательного контура и распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн.

Пластины конденсатора теперь можно вообще убрать. Сделав провода достаточно длинными, мы получим антенну - устройство для излучения электромагнитных волн.

Только что мы рассмотрели так называемый открытый колебательный контур. Разумеется, в таком «контуре» свободные колебания будут затухать очень быстро, потому что энергия будет постоянно относиться волнами в окружающее пространство. Поэтому для создания в антенне незатухающих электрических колебаний используют специальное устройство - генератор тока высокой частоты

Джеймс Клерк Максвелл

3. Электромагнитная волна

Итак, согласно теории Максвелла, переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое, а переменное электрическое поле - вихревое магнитное. Отсюда Максвелл сделал предположение, что в природе могут существовать электромагнитные волны.

Переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле. Это электрическое поле порождает переменное магнитное поле. То, в свою очередь, снова электрическое и др. Возникает система переменных электрических и магнитных полей, что захватывают все большие области пространства.

Электромагнитная волна - это процесс распространения в пространстве с течением времени свободного электромагнитного поля.

Максвелл смог даже теоретически вычислить скорость электромагнитных волн, причем ему для этого понадобились только данные о взаимодействии электрических зарядов и электрических токов. Полученный «на кончике пера» результат поразил самого Максвелла: скорость электромагнитных волн оказалась равной 300 000 км/с, то есть совпала с уже измеренной на то время скоростью света.

4. Распространение электромагнитных волн

Между моментом, когда «источник» випроменило волну, и моментом, когда «приемник» ее принял, проходит некоторое время. Возникает вопрос: где же находится в это время и энергия, которую «источник» волн уже випроменило, но «приемник» еще не принял?

Согласно теории Максвелла, эту энергию несет электромагнитная волна. Энергия электромагнитного поля волны в этот момент времени меняется периодически в пространстве соответственно к изменению векторов и . Электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне перпендикулярны друг к другу, причем каждое из них перпендикулярно к направлению распространения волны.

На рисунке схематически изображена зависимость от координат вектора напряженности электрического поля и вектора индукции магнитного поля в электромагнитной волне в определенный момент времени. В каждой точке пространства, сквозь который движется электромагнитная волна, модуль вектора напряженности электрического поля пропорционален вектору индукции магнитного поля, а направлены эти векторы всегда под прямым углом друг к другу. Гребне волны перемещаются в пространстве со скоростью света с.

В каждой точке электромагнитной волне электрическое и магнитное поля периодически изменяются со временем. Частота всех таких колебаний одинакова. Зато амплитуды и фазы колебаний отличаются. Для электромагнитной волны в вакууме период Т, частота v и длина волны λ связаны соотношениями Течение одного периода волна проходит расстояние, равное длине волны.

5. Вибратор Герца

Многие ученые подвергали сомнению правильность теории электромагнитного поля Максвелла. Одной из основных причин возникновения сомнений было представление о волне, для распространения которых не нужна среда.

1886 г. Генрих Герц решил поставить опыт с целью опровергнуть теорию Максвелла. Опыт заключался в том, что в узком промежутке незамкнутого контура под действием высокого напряжения возбуждалась искра.

Вибратор Герца излучал электромагнитные волны преимущественно в направлении, перпендикулярном к проводнику. Вектор этой волны колеблется параллельно к вибратору, а вектор - перпендикулярно к вибратору. В направлении оси вибратора излучения не происходит.

Необходимо было найти способ обнаружения и исследования электромагнитных волн. Герц использовал для этого второй (приемный) вибратор.

Этот вибратор не присоединяли к любому источнику высокого напряжения. Поэтому колебания в нем могли возникнуть только под действием электромагнитной волны. О возникновении колебаний могли свидетельствовать крошечные искры в искровом промежутке приемного вибратора. Чтобы увеличить амплитуду колебаний в этом вибраторе, было использовано явление резонанса: собственная частота колебаний в приемном вибраторе совпала с собственной частотой колебаний в вибраторе-излучатели.

Обнаружены волны Герц назвал «лучей электрической силы».

6. Результаты опытов

Первым результатом опытов Герца было наблюдение искр в приемном вибраторе при расстоянии между вибраторами в несколько метров. Крупнейшие искры возникали, когда приемный вибратор был расположен параллельно вибратора-излучателя, как и должно было быть согласно теории Максвелла.

Герц наблюдал отражения от поверхности металла и преломления электромагнитных волн на границе воздуха и диэлектрика. Наблюдались и другие явления:

· дифракция;

· интерференция;

· поляризация.

Решающим, очевидно, было измерение скорости полученных в опыте волн. Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле:

= λv,

где , λ и v - скорость, длина и частота волны. Таким образом, опыты Герца подтвердили справедливость выводов теории Максвелла.

Согласно современным представлениям, электромагнитные волны могут распространяться как в среде, так и в вакууме, причем в вакууме скорость электромагнитных волн наибольшая (300000 км/с). Это существенно отличает их от звуковых волн, для распространения которых необходима материальная среда.

ВОПРОС К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Как должна двигаться частица, чтобы она излучала электромагнитные волны?

2. Почему закрытый колебательный контур плохо излучает энергию?

3. Что представляет собой электромагнитная волна?

Второй уровень

1. В каком колебательном контуре (закрытом или открытом) колебания быстрее затухают?

2. Вовремя, каких природных явлений излучают электромагнитные волны?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Какие физические величины периодически изменяются в электромагнитной волне?

2. Какие физические процессы могут служить в качестве источника электромагнитных волн?

3. Зависит ли скорость электромагнитных волн в вакууме от частоты колебаний?

4. Горизонтальный проводник, в котором протекает переменный ток высокой частоты, расположенный вдоль параллели. В каких направлениях (преимущественно) распространяются электромагнитные волны от этого проводника?

5. Передающие и приемный вибраторы расположены взаимно перпендикулярно. Возникнут ли колебания в приемном вибраторе?

2). Учимся решать задачи

1. При которой частоты колебаний радиопередатчик излучает электромагнитные волны длиной 200 м?

2. Определите частоту и длину волны радиопередатчика, если период его электромагнитных колебаний 10-5 с.

3. Электромагнитная волна распространяется в вакууме. Определите частоту этой волны, если длина волны 15 м.

4. В некоторой точке пространства индукция магнитного поля электромагнитной волны изменяется от нуля до максимального значения за 2 мкс. Чему равна длина волны?

5. Длина радиоволны в вакууме равна 60 м. За время напряженность электрического поля волны уменьшится от максимума до нуля?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Контур не излучает в пространство электрическую энергию, называют закрытым.

Существование электромагнитных волн было предсказано Максвеллом. Для проверки этой теории Г. Герц использовал открытый колебательный контур (вибратор), что позволило убедиться в правильности выводов теории.

Герц смог определить скорость электромагнитной волны по формуле:

= λv.

Для электромагнитной волны в вакууме период Т, частота v и длина волны λ связаны соотношениями:

Домашнее задание

1. Подр.: § 48 – 58. .

2. Упр. 7 № 1,3,5.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема: Свет как электромагнитная волна. Световые волны. Линзы. Дисперсия и интерференция света

Цель урока: объяснить механизм возникновения электромагнитных волн; ознакомить студентов с экспериментальным свидетельством существования электромагнитных волн; ознакомить студентов линзой и цветовой гаммой.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	20 мин.	1. Излучение энергии электрическим зарядом. 2. Открытый колебательный контур. 3. Электромагнитная волна 4. Распространение электромагнитных волн. 5. Вибратор Герца. 6. Результаты опытов
Демонстрации	5 мин.	Линзы. Интерференция света и цветовая гамма.
Изучение нового материала	40 мин.	1. Скорости света. Световые волны. 2. Линзы. 3. Дисперсия и интерференция света.
Закрепление изученного материала	25 мин.	1. Качественные вопросы. 2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Скорости света. Световые волны.
Астрономический метод

В 1676году впервые осуществил измерение света датский физик О. Ремер. Ремер наблюдал затмение спутника Юпитера Ио.

Ио – спутник Юпитера

I – спутник находился в тени Юпитера 4ч. 28 мин.

II – спутник вышел из тени на 22 мин.

Измерения проводились дважды: при наименьшем удалении Юпитера от Земли и через 6 месяцев, когда расстояние между Землей и Юпитером становилось наибольшим.

Полученное различие в продолжительности времени затмения объяснялось тем, что свет, распространяясь с конечной скоростью должен был, пройти дополнительное расстояние, равное диаметру орбиты Земли.

Из-за плохой точности измерений Ремер получил лишь очень приблизительное значение скорости света 215 000 км/с.

Лабораторный метод

В 1849г. - французский физик Физо.

С помощью зеркала А свет от источника S направлялся на зубчатое колесо К, которое вращалось. Пройдя сквозь колесо свет достигал плоского зеркала З. После отражения снова падал на колесо и мог или пройти сквозь него, или нет (в зависимости от угла поворота колеса).

Скорость света определялась формулой:

где Z – число зубцов на вращающемся колесе

L= 8,6 км – расстояние между колесом и зеркалом

w (омега) – наименьшая угловая скорость вращения колеса, при которой свет не попадает к наблюдателю. Физо получил скорость света - 313 000км/с.

Скорость света в вакууме

По современным измерениям скорость света в вакууме равна:

Приблизительно при решении задач для вычислений берут обычно величину c = 300 000 км/с.

Оптика – раздел физики, изучающий световые явления.

Что такое свет?

Взгляды ученых на природу света с течением времени изменялись.
С 18 века в физике шла борьба между приверженцами волновой теории и корпускулярной теории.
Известный ученый И. Ньютон считал: свет - это поток корпускул (частиц), выбрасываемых светящимся телом, которые распространяются в пространстве прямолинейно. Это предположение подтверждалось законом прямолинейного распространения света.
Английский ученый Р. Гук читал: свет – это механические волны. Подтверждением этой теории были работы Х. Гюйгенса, Т. Юнга, О. Френеля и др.

По современным представлениям свет имеет двойственную природу (корпускулярно-волновой дуализм):

- свет обладает волновыми свойствами и представляет собой электромагнитные волны, но одновременно является и потоком частиц – фотонов. В зависимости от светового диапазона проявляются в большей мере те или иные свойства.

ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА. ПРЕЛОМЛЕНИЯ СВЕТА.

Голландский физик Х. Гюйгенс сформулировал принцип для описания распространения волн любой природы.
С помощью принципа Гюйгенса доказываются законы отражения и преломления света.
При этом свет рассматривается как плоская волна, т.е. волна, у которой волновые поверхности – плоскости.
Волновая поверхность – множество точек, колеблющихся в одинаковой фазе.
Принцип Гюйгенса

Каждая точка, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных сферических волн.

Законы отражения света

Здесь MN - отражающая поверхность

АА1 и ВВ1 - лучи падающей плоской волны

АА2 и ВВ2 - лучи отраженной плоской волны

АС - волновая поверхность падающей плоской волны перпендикулярна падающим лучам DB - волновая поверхность отраженной плоской волны перпендикулярная отраженным лучам
альфа - угол падения ( между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности)
бета - угол отражения ( между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности)

Рассмотрим падающий свет как плоскую волну и используем для доказательства принцип Гюйгенса:
AD = vt = CB

треугольник ADB и треугольник ACB – прямоугольные

угол DBA = углу CAB

угол альфа = углу CAB

угол бета = углу DBA

Законы отражения света представляют собой два утверждения:
1. Угол падения равен углу отражения.

2. Падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.

Преломление света – это изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух сред.

Законы преломления света

Законы преломления света доказываются с помощью принципа Гюйгенса, рассматривая падающий на границу раздела двух сред свет, как плоскую волну:

1. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух данных сред есть величина постоянная

где n – это относительный показатель преломления (иначе показатель преломления второй среды относительно первой)

2. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности раздела двух сред, восстановленным в точке падения луча.
Показатель преломления

Физический смысл относительного показателя преломления (иначе показателя преломления второй среды относительно первой):

он показывает во сколько раз скорость света в той среде, из которой луч выходит, больше скорости света в той среде, в которую он входит.

Кроме того, каждая среда, через которую проходит луч света, характеризуется абсолютным показателем преломления:

Абсолютный показатель преломления - это показатель преломления среды относительно вакуума.

Он равен отношению скорости света в вакууме к скорости света в данной среде.
Среда с меньшим абсолютным показателем преломления называется оптически менее плотной средой.

Помни!
Для вакуума (воздуха) абсолютный показатель преломления среды = 1.

Таким образом, вакуум обладает наименьшей оптической плотностью.

2. Линзы.

Что такое линза?

Нам известно, что свет, попадая из одной прозрачной среды в другую, преломляется - это явление преломления света. Причем угол преломления меньше угла падения при попадании света в более плотную оптическую среду. Что это означает, и как это можно использовать?

Если мы возьмем кусок стекла с параллельными гранями, например, оконное стекло, то получим незначительное смещение изображения, видимого сквозь окно. То есть, войдя в стекло, лучи света преломятся, а попадая снова в воздух, вновь преломятся до прежних значений угла падения, только при этом немного сместятся, причем величина смещения будет зависеть от толщины стекла.

Очевидно, что от такого явления практической пользы немного. А вот если мы возьмем стекло, плоскости которого будут расположены друг к другу наклонно, например, призму, то эффект будет совсем иным. Лучи, проходящие сквозь призму, всегда преломляются к ее основанию. Это несложно проверить.

Для этого нарисуем треугольник, источник света и начертим входящий в любую из его боковых сторон луч. Пользуясь законом преломления света, проследим дальнейший путь луча. Проделав эту процедуру несколько раз под разными значениями угла падения, мы выясним, что под каким бы углом не входил луч внутрь призмы, с учетом двойного преломления на выходе он все равно отклонится к основанию призмы.

Линза и ее свойства

Такое свойство призмы использовано в очень простом приборе, позволяющем управлять направлением световых потоков – линзе. Линза – это прозрачное тело, ограниченное с двух сторон изогнутыми поверхностями тела. Рассматривают устройство и принцип действия линз в курсе физики восьмого класса.

По сути, линзу в разрезе можно изобразить в виде двух поставленных друг на друга призм. От того, какими своими частями расположены эти призмы друг к другу, зависит оптическое действие линзы.

Виды линз в физике

Несмотря на огромное разнообразие, видов линз в физике различают всего два: выпуклые и вогнутые, или собирающие и рассеивающие линзы соответственно.

У выпуклой, то есть собирающей линзы края намного тоньше, чем середина. Собирающая линза в разрезе – это две призмы, соединенные основаниями, поэтому все проходящие сквозь нее лучи сходятся к центру линзы.

У вогнутой линзы края, наоборот, всегда толще, чем середина. Рассеивающую линзу можно представить в виде двух соединенных вершинами призм, и, соответственно, лучи, проходящие через такую линзу, будут расходиться от центра.

Люди открыли подобные свойства линз очень давно. Использование линз позволило человеку конструировать самые разнообразные оптические приборы и приспособления, облегчающие жизнь и помогающие в быту и производстве.

Оптическая сила линзы

Все линзы делятся на два вида: выпуклые или собирающие (вогнутые или рассеивающие). Ход лучей в этих видах линз различен, но свет всегда преломляется, однако, чтобы рассмотреть их устройство и принцип действия, надо ознакомиться с одинаковыми для обоих видов понятиями.

Если дорисовать сферические поверхности двух сторон линзы до полных сфер, то прямая, проходящая сквозь центры этих сфер, будет являться оптической осью линзы. Фактически, оптическая ось проходит сквозь самое широкое место выпуклой линзы и самое узкое у вогнутой.

Оптическая ось, фокус линзы, фокусное расстояние

На этой оси находится точка, где собираются все лучи, прошедшие через собирающую линзу. В случае же рассеивающей линзы можно провести продолжения расходящихся лучей, и тогда мы получим точку, также расположенную на оптической оси, где сходятся все эти продолжения. Эта точка называется фокусом линзы.

У собирающей линзы фокус действительный, и расположен он с обратной стороны от падающих лучей, у рассеивающей фокус мнимый, и располагается он с той же стороны, с которой свет падает на линзу.

Точка на оптической оси ровно посередине линзы называется ее оптическим центром. А расстояние от оптического центра до фокуса линзы – это фокусное расстояние линзы.

Фокусное расстояние зависит от степени кривизны сферических поверхностей линзы. Более выпуклые поверхности будут сильнее преломлять лучи и, соответственно, уменьшать фокусное расстояние. Если фокусное расстояние короче, то данная линза будет давать большее увеличение изображения.

Оптическая сила линзы: формула, единица измерения

Для характеристики увеличивающей способности линзы ввели понятие «оптическая сила». Оптическая силы линзы – это величина, обратная ее фокусному расстоянию. Оптическая сила линзы выражается формулой:

D=1/F,

где D – оптическая сила, F – фокусное расстояние линзы.

Единицей измерения оптической силы линзы является диоптрия (1 дптр). 1 диоптрия – это оптическая сила такой линзы, фокусное расстояние которой равно 1 метру. Чем меньше фокусное расстояние, тем большей будет оптическая сила, то есть тем сильнее данная линза увеличивает изображение.

Так как фокус у рассеивающей линзы мнимый, то условились считать ее фокусное расстояние величиной отрицательной. Соответственно, и ее оптическая сила - тоже отрицательная величина. Что касается собирающей линзы, то ее фокус действительный, поэтому и фокусное расстояние, и оптическая сила у собирающей линзы – величины положительные.

Формула, связывающая три величины: расстояние d от предмета до линзы, расстояние f от изображения до линзы и фокусное расстояние F.

Формула тонкой линзы:

Если линза собирающая, то F > 0, а в случае рассеивающей линзы – F < 0. И еще, знак «плюс» означает, что изображение действительное, а знак «минус» — мнимое. Изображение, получаемое с помощью линзы, отличается своими размерами от предмета. Различие размеров предмета и изображения характеризуют увеличением. Линейное увеличение линзы

3. Дисперсия и интерференция света.

Луч белого света, проходя через трехгранную призму не только отклоняется, но и разлагается на составляющие цветные лучи. Это явление установил Исаак Ньютон, проведя серию опытов.
Опыты Ньютона

Опыт по разложению белого света в спектр:

или

Ньютон направил луч солнечного света через маленькое отверстие на стеклянную призму.

Попадая на призму, луч преломлялся и давал на противоположной стене удлиненное изображение с радужным чередованием цветов – спектр.

Опыт по прохождению монохроматического света через призму:

Ньютон на пути солнечного луча поставил красное стекло, за которым получил монохроматический свет (красный), далее призму и наблюдал на экране только красное пятно от луча света.

Опыт по синтезу (получению) белого света:

Сначала Ньютон направил солнечный луч на призму. Затем, собрав вышедшие из призмы цветные лучи с помощью собирающей линзы, Ньютон на белой стене получил вместо окрашенной полосы белое изображение отверстия.

Выводы Ньютона:

призма не меняет свет, а только разлагает его на составляющие

световые лучи, отличающиеся по цвету, отличаются по степени преломляемости

наиболее сильно преломляются фиолетовые лучи, менее сильно – красные

красный свет, который меньше преломляется, имеет наибольшую скорость, а фиолетовый - наименьшую, поэтому призма и разлагает свет.

Зависимость показателя преломления света от его цвета называется дисперсией.
Запомни фразу, начальные буквы слов которой дают последовательность цветов спектра:

"Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан".

Спектр белого света:

Выводы:

призма разлагает свет

белый свет является сложным (составным)

фиолетовые лучи преломляются сильнее красных.

Цвет луча света определяется его частотой колебаний.

При переходе из одной среды в другую изменяются скорость света и длина волны, а частота, определяющая цвет остается постоянной.

Границы диапазонов белого света и его составляющих принято характеризовать их длинами волн в вакууме.

Белый свет – это совокупность волн длинами от 380 до 760 нм.

Где можно наблюдать явление дисперсии?

при прохождении света через призму

преломление света в водяных каплях, например, на траве или в атмосфере при образовании радуги

вокруг фонарей в тумане.

Как объяснить цвет любого предмета?

белая бумага отражает все падающие на нее лучи различных цветов

красный предмет отражает только лучи красного цвета, а лучи остальных цветов поглощает

Глаз воспринимает отраженные от предмета лучи определенной длины волны и таким образом воспринимает цвет предмета.

Интерференция волн - это явление наложения когерентных волн свойственно волнам любой природы (механическим, электромагнитным и т.д.

Когерентные волны - это волны, испускаемые источниками, имеющими одинаковую частоту и постоянную разность фаз.

При наложении когерентных волн в какой-либо точке пространства амплитуда колебаний (смещения) этой точки будет зависеть от разности расстояний от источников до рассматриваемой точки. Эта разность расстояний называется разностью хода. При наложении когерентных волн возможны два предельных случая: Условие максимума:

Разность хода волн равна целому числу длин волн ( иначе четному числу длин полуволн).

где

В этом случае волны в рассматриваемой точке приходят с одинаковыми фазами и усиливают друг друга – амплитуда колебаний этой точки максимальна и равна удвоенной амплитуде.
Условие минимума

Разность хода волн равна нечетному числу длин полуволн.

где

Волны приходят в рассматриваемую точку в противофазе и гасят друг друга.
Амплитуда колебаний данной точки равна нулю.

В результате наложения когерентных волн (интерференции волн) образуется интерференционная картина

- интерференционная картина наложения когерентных механических волн на воде.

При интерференции волн амплитуда колебаний каждой точки не меняется во времени и остается постоянной.
При наложении некогерентных волн нет интерференционной картины, т.к. амплитуда колебаний каждой точки меняется со временем.
Интерференция света

1802г. Английский физик Томас Юнг поставил опыт, в котором наблюдалась интерференция света.
Опыт Томаса Юнга

От одного источника через щель А формировались два пучка света ( через щели В и С), далее пучки света падали на экран Э. Так как воны от щелей В и С были когерентными, на экране можно было наблюдать интерференционную картину: чередование светлых и темных полос.
Светлые полосы – волны усиливали друг друга (соблюдалось условие максимума).
Темные полосы – волны складывались в противофазе и гасили друг друга (условие минимума).
Если в опыте Юнга использовался источник монохроматического света ( одной длины волны, то на экране наблюдались только светлые и темные полосы данного цвета.

Если источник давал белый свет (т.е. сложный по своему составу), то на экране в области светлых полос наблюдались радужные полосы. Радужность объяснялась тем, что условия максимумов и минимумов зависят от длин волн.

Интерференция в тонких пленках

Явление интерференции можно наблюдать, например,:

- радужные разводы на поверхности жидкости при разливе нефти, керосина, в мыльных пузырях;

Толщина пленки должна быть больше длины световой волны.

При попадании монохроматического света (самый простой случай) на тонкую пленку часть света отражается от наружной поверхности пленки, другая часть света, пройдя через пленку, отражается от внутренней поверхности. При попадании в глаз на сетчатке происходит наложение (сложение) двух когерентных волн и возникает интерференционная (полосатая) картина, как результат усиления и ослабления волн. В случае белого света интерференционная картина будет радужной.
При проведении своего опыта Юнгу впервые удалось измерить длину световой волны.
В результате опыта Юнг доказал, что свет обладает волновыми свойствами.
Применение интерференции:

- интерферометры – приборы для измерения длины световой волны

- просветление оптики (в оптических приборах при прохождении света через объектив потери света составляют до 50%)

– все стеклянные детали покрывают тонкой пленкой с показателем преломления чуть меньше, чем у стекла; перераспределяются интерференционные максимумы и минимумы и потери света уменьшаются

ВОПРОС К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Как должна двигаться частица, чтобы она излучала электромагнитные волны?

2. Чему равна скорость света. Как было впервые определена астрономическим методом скорость света?

3. Что представляет собой электромагнитная волна?

4. Виды линз. Что называют фокусом линзы?

5. Оптический центр линзы и оптические оси линзы?

6. Дисперсия и интерференция линз.

Второй уровень

1. В каком колебательном контуре (закрытом или открытом) колебания быстрее затухают?

2. Вовремя, каких природных явлений излучают электромагнитные волны?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Какие физические величины периодически изменяются в электромагнитной волне?

2. Какие физические процессы могут служить в качестве источника электромагнитных волн?

3. Зависит ли скорость электромагнитных волн в вакууме от частоты колебаний?

2). Учимся решать задачи

1. В некоторой точке пространства индукция магнитного поля электромагнитной волны изменяется от нуля до максимального значения за 2 мкс. Чему равна длина волны?

2. Длина радиоволны в вакууме равна 60 м. За время напряженность электрического поля волны уменьшится от максимума до нуля?

Домашнее задание

1. Подр.: § 59 – 69.

2. Упр. 8 № 6,10,11.

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема: Дифракция механических волн и света. Виды излучений. Источники света.

Цель урока: познакомить учащихся с различными видами излучений, их источниками; показать разные виды спектров, их практическое использование; шкала электромагнитный излучений. Зависимость свойств излучений от частоты, длины волны.

Задачи урока:

Образовательные:

показать физическую зависимость между дифракцией света и дифракционной решетки;
научить применять физические законы при решении задач;
научить применять полученные знания как язык науки, имеющий огромные возможности.
начать обучение студентов решать аналитические и графические задачи, используя механических волн.

Воспитательные:

дать возможность почувствовать свой потенциал каждому учащемуся, чтобы показать значимость полученных знаний;
побудить к активной работе мысли;
развивать кругозор студентов и патриотические чувства, гордости за свою страну, которая играла и играет в прогрессе человечества большую роль.

Развивающие:

Формировать умение вести рассказ с помощью опорного конспекта, выражать свои мысли правильным «физическим» языком;
формировать умение выделять главное, обобщать и связывать имеющиеся знания со знаниями из других областей;
формировать умение наблюдать и анализировать явления, кратко и лаконично отвечать на вопросы.

Тип урока: комбинированный урок. Изучение нового материала, с использованием элементов беседы.

Демонстрации: зависимость между объемом, давлением и температурой.

Межпредметные связи: биология, математика, химия.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, экран, презентация Power Point, анимация из интернета.

ТСО: Электронный репетитор “Символ – Тест”

Учебно-наглядные пособия: таблицы по газовым законам.

Раздаточный материал: карточки с заданиями, контрольные листы.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	20 мин.	1. Скорости света. Световые волны. 2. Линзы. 3. Дисперсия и интерференция света.
Демонстрации	5 мин.	Дифракция механических волн.
Изучение нового материала	30 мин.	1. Дифракция света. Дифракционная решетка. 2. Поляризация света. Волновая оптика. 3. Виды излучении и источники света.
Закрепление изученного материала	35 мин.	1. Тест 2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Дифракция - это явление, присущее волновым процессам для любого рода волн.

- наблюдение дифракции волн на водной поверхности при прохождении волн через узкую щель (с краю видны закругления плоских волн).

Дифракция света– это отклонение световых лучей от прямолинейного распространения при прохождении сквозь узкие щели, малые отверстия или при огибании малых препятствий.
Явление дифракции света доказывает, что свет обладает волновыми свойствами.

Для наблюдения дифракции можно:

- пропустить свет от источника через очень малое отверстие или расположить экран на большом расстоянии от отверстия. Тогда на экране наблюдается сложная картина из светлых и темных концентрических колец.

- или направить свет на тонкую проволоку, тогда на экране будут наблюдаться светлые и темные полосы, а в случае белого света – радужная полоса.

- наблюдение дифракции света на малом отверстии.

Объяснение картины на экране:Французский физик О. Френель объяснил наличие полос на экране тем, что световые волны, приходящие из разных точек в одну точку на экране, интерферируют между собой.

Принцип Гюйгенса – Френеля

Все вторичные источники, расположенные на поверхности фронта волны, когерентны между собой.

Амплитуда и фаза волны в любой точке пространства – это результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками.

Принцип Гюйгенса-Френеля дает объяснение явлению дифракции:

1. вторичные волны, исходя из точек одного и того же волнового фронта (волновой фронт – это множество точек, до которых дошло колебание в данный момент времени) , когерентны, т.к. все точки фронта колеблются с одной и той же частотой и в одной и той же фазе;

2. вторичные волны, являясь когерентными, интерферируют.

Явление дифракции накладывает ограничения на применение законов геометрической оптики:

Закон прямолинейного распространения света, законы отражения и преломления света выполняются достаточно точно только, если размеры препятствий много больше длины световой волны.

Дифракция накладывает предел на разрешающую способность оптических приборов:

- в микроскопе при наблюдении очень мелких предметов изображение получается размытым

- в телескопе при наблюдении звезд вместо изображения точки получаем систему светлых и темных полос.

Дифракционная решетка- это оптический прибор для измерения длины световой волны.

Дифракционная решетка представляет собой совокупность большого числа очень узких щелей, разделенных непрозрачными промежутками.

Если на решетку падает монохроматическая волна. то щели (вторичные источники) создают когерентные волны. За решеткой ставится собирающая линза, далее – экран. В результате интерференции света от различных щелей решетки на экране наблюдается система максимумов и минимумов.

Разность хода между волнами от краев соседних щелей равна длине отрезка АС. Если на этом отрезке укладывается целое число длин волн, то волны от всех щелей будут усиливать друг друга. При использовании белого света все максимумы (кроме центрального) имеют радужную окраску.

Итак, условие максимума:

где k – порядок (или номер) дифракционного спектра.
Чем больше штрихов нанесено на решетке, тем дальше друг от друга находятся дифракционные спектры и тем меньше ширина каждой линии на экране, поэтому максимумы видны в виде раздельных линий, т.е. разрешающая сила решетки увеличивается.

Точность измерения длины волны тем больше, чем больше штрихов приходится на единицу длины решетки.

Дифракционная картина от тонкой проволоки

Дифракция в глазе

А ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Датский астроном Оле Рёмер знаменит тем, что впервые измерил скорость света, однако не только за это соотечественники говорят ему «спасибо». Именно благод

Поляризация света. Волновая оптика

Поляризация волн

Свойство поперечных волн – поляризация.

Поляризованной волной называется такая поперечная волна, в которой колебания всех частиц происходят в одной плоскости.

Такую волну можно получить с помощью резинового шнура, если на его пути поставить преграду с тонкой щелью. Щель пропустит только те колебания, которые происходят вдоль нее.

Устройство, выделяющее колебания, происходящие в одной плоскости, называется поляризатором.
Устройство, позволяющее определить плоскость поляризации (вторая щель) называется анализатором.
Поляризация света

Опыт с турмалином – доказательство поперечности световых волн.
Кристалл турмалина – это прозрачный, зеленого цвета минерал, обладающий осью симметрии.

В луче света от обычного источника присутствуют колебания векторов напряженности электрического поля Е и магнитной индукции В всевозможные направления, перпендикулярных направлению распространения световой волны. Такая волна называется естественной волной.

При прохождении через кристалл турмалина свет поляризуется.
У поляризованного света колебания вектора напряженности Е происходят только в одной плоскости, которая совпадает с осью симметрии кристалла.

Поляризация света после прохождения турмалина обнаруживается, если за первым кристаллом (поляризатором) поставить второй кристалл турмалина (анализатор).
При одинаково направленных осях двух кристаллов световой луч пройдет через оба и лишь чуть ослабнет за счет частичного поглощения света кристаллами.

Схема действия поляризатора и стоящего за ним анализатора:

Если второй кристалл начать поворачивать, т.е. смещать положение оси симметрии второго кристалла относительно первого, то луч будет постепенно гаснуть и погаснет совершенно, когда положение осей симметрии обоих кристаллов станет взаимно перпендикулярным.
Вывод:
Свет- это поперечная волна.

Применение поляризованного света:

- плавная регулировка освещенности с помощью двух поляроидов
- для гашения бликов при фотографировании (блики гасят, поместив между источником света и отражающей поверхностью поляроид)

- для устранения слепящего действия фар встречных машин.

Когда начинает звучать струна? Начинает звучать после удара молоточка по струне.

Как в струне рояля нет звука, так и внутри атома нет света. Как же излучается свет?

Свет – электромагнитная волна с длиной волны 400 нм -800нм. Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении частиц. Эти заряженные частицы входят в состав атомов, из которых состоит вещество.Для того, чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию и для свечения вещества необходим приток энергии к атомам извне.

Тепловое излучение – излучение нагретых тел. Чем выше температура тела тем быстрее движутся в нем атомы. При их столкновении друг с другом часть кинетической энергии, которой они обладают, идет на возбуждение, затем атомы излучают и переходят в невозбужденное (основное) состояние.

Тепловое излучение – излучение, при котором потери атомами энергии на излучение света компенсируются за счет энергии теплового движения атомов (или молекул) излучающего тела. Тепловым источником является солнце, лампа накаливания и т. д.

Электролюминесценция (от латинского люминесценция - “свечение”) – разряд в газе сопровождающийся свечением. Северное сияние есть проявление электролюминесценции. Используется в трубках для рекламных надписей.

Катодолюминесценция – свечение твердых тел, вызванное бомбардировкой их электронами. Благодаря ей светятся экраны электронно-лучевых трубок телевизоров.

Хемилюминесценция – излучение света в некоторых химических реакциях, идущих с выделением энергии. Ее можно наблюдать на примере светлячка и других живых организмах, обладающих свойством светиться.

Фотолюминесценция – свечение тел непосредственно под действием падающих на них излучений. Примером являются светящиеся краски, которыми покрывают елочные игрушки, они излучают свет после их облучения. Это явление широко используется в лампах дневного света

Для того чтобы атом начал излучать, ему необходимо передать определенную энергию. Излучая, атом теряет полученную энергию, и для непрерывного свечения вещества необходим приток энергии к его атомам извне.

Таким образом, оптическое излучение источников света представляет собой набор излучений отдельных атомов и молекул.

Приведите примеры естественных и искусственных источников света.

Мы видим не только источники света, но и тела, которые не являются источниками света, - книгу, парту, дома, и т.д.

Эти предметы мы видим только тогда, когда они освещены.

Излучение, идущее от источника света, попав на предмет, меняет свое направление и попадает в глаз.

Закрепление знаний, умений и навыков

Тест «Виды излучения и спектров»

Вариант 1

Часть А. Выберите правильный ответ:

А1. Излучение какого тела является тепловым?

А) Лампа дневного свет Б) Экран телевизора

В) Инфракрасный лазер Г) Лампа накаливания

А2. Для каких тел характерны полосатые спектры поглощения и испускания?

А) Для нагретых твердых тел Б) Для нагретых жидкостей

В) Для любых перечисленных выше тел Г) Для нагретых атомарных газов

Д) Для разреженных молекулярных газов

А3. Для каких тел характерны линейчатые спектры поглощения и испускания?

А) Для нагретых твердых тел Б) Для нагретых жидкостей

В) Для разреженных молекулярных газов Г) Для нагретых атомарных газов

Д) Для любых перечисленных выше тел

Часть В. Для каждой характеристики выберите соответствующий вид спектра

Спектры получают, пропуская свет от источника, дающего сплошной спектр, через вещество, атомы которого находятся в невозбужденном состоянии

Состоит из отдельных линий разного или одного цвета, имеющих разные расположения

Излучают нагретые твердые и жидкие вещества, газы, нагретые под большим давлением.

Дают вещества, находящиеся в молекулярном состоянии

Испускается газами, парами малой плотности в атомарном состоянии

Состоит из большого числа тесно расположенных линий

Одинаковы для разных веществ, поэтому их нельзя использовать для определения состава вещества

Это совокупность частот, поглощаемых данным веществом. Вещество поглощает те линии спектра, которые и испускает, являясь источником света

Это спектры, содержащие все длины волны определенного диапазона.

Позволяет по спектральным линиям судить о химическом составе источника света

А) Сплошной спектр

Б) Линейчатый спектр

В) Полосатый спектр

Г) Спектры поглощения

Вариант 2.

Часть А. Выберите правильный ответ:

А1. Излучение какого тела является тепловым?

А) Лампа дневного света Б) Экран телевизора

В) Инфракрасный лазер Г) Лампа накаливания

А2. Для каких тел характерны полосатые спектры поглощения и испускания?

А) Для нагретых твердых тел Б) Для нагретых жидкостей

В) Для любых перечисленных выше тел Г) Для нагретых атомарных газов

Д) Для разреженных молекулярных газов

А3. Для каких тел характерны линейчатые спектры поглощения и испускания?

А) Для нагретых твердых тел Б) Для нагретых жидкостей

В) Для разреженных молекулярных газов Г) Для нагретых атомарных газов

Д) Для любых перечисленных выше тел

Часть В. Для каждой характеристики выберите соответствующий вид спектра

Состоит из отдельных линий разного или одного цвета, имеющих разные расположения

Излучают нагретые твердые и жидкие вещества, газы, нагретые под большим давлением.

Дают вещества, находящиеся в молекулярном состоянии

Испускается газами, парами малой плотности в атомарном состоянии

Состоит из большого числа тесно расположенных линий

Одинаковы для разных веществ, поэтому их нельзя использовать для определения состава вещества

Это спектры, содержащие все длины волны определенного диапазона.

Позволяет по спектральным линиям судить о химическом составе источника света

А) Сплошной спектр

Б) Линейчатый спектр

В) Полосатый спектр

Г) Спектры поглощения

Решение задач:

№1

Человеку, читающему книгу, безразлично, справа или слева от него находится источник света. Почему при письме так важно, чтобы свет падал слева?

№2

Солнце сияет, а месяц светит (объясните смысл этой пословицы)

№3

Определите длину тени от человека, рост которого 160 см., если длина тени от метровой линейки равна 1,5 метра?

IV. Интересные факты:

Интересно спасает жизнь морской червь.

Когда краб перекусывает его, задняя часть червя ярко вспыхивает. Краб устремляется к ней, пострадавший червь прячется, и через некоторое время на месте отсутствующей части вырастает новая.

Домашнее задание

1. Подр.: § 70-74, 81-84

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема: Инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения.

Цель урока: сформировать у учащихся представления о природе, свойствах инфракрасного, ультрафиолетового, рентгеновского излучениях.

Задачи урока:

Образовательные:

познакомить учащихся с историей открытия рентгеновского излучения, использования рентгеновского излучения в медицине и промышленности;
привить интерес к предмету, углубить и расширить знания учащихся.

Развивающие:

формировать навыки нахождения нужной информации из разнообразных источников, в том числе и в Интернете;
стимулировать поисковую деятельность учащихся, развивать умение анализировать и обобщать результаты исследования, делать выводы.

Воспитательные:

воспитание уверенности в своих творческих способностях; формирования умения сотрудничества, ответственности.

Тип урока: комбинированный урок. Изучение нового материала, с использованием элементов беседы.

Демонстрации: применение инфракрасных, ультрафиолетовых и рентгеновских излучения.

Межпредметные связи: биология, математика, химия.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, экран, презентация Power Point, анимация из интернета.

ТСО: Электронный репетитор “Символ – Тест”

Учебно-наглядные пособия: плакаты

Раздаточный материал: карточки с заданиями, контрольные листы.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	20 мин.	1. Дифракция света. Дифракционная решетка. 2. Поляризация света. Волновая оптика. 3. Виды излучении и источники света.
Демонстрации	5 мин.	Дифракция механических волн.
Изучение нового материала	30 мин.	1. Шкала электромагнитных излучений. 2. Инфракрасные излучения. 3. Ультрафиолетовые излучения. 4. Рентгеновские лучи.
Закрепление изученного материала	35 мин.	1. Беседа по вопросам. 2. Учимся решать задачи 3. Тест.

1. Шкала электромагнитных излучений.

Мы познакомились с различными видами спектров. Знаем, что такое спектральный анализ. Проанализировали расположение световых волн на Шкале электромагнитных волн. Сегодня на уроке мы познакомимся с излучениями, которые находятся по соседству с видимым светом на Шкале электромагнитных волн. Тема сегодняшнего урока «Инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучение».

Знакомство с этой темой позволит нам узнать много интересного о тех излучениях, которые окружают нас, но невидимы нашему глазу. О влиянии этих излучений на наше здоровье. Полезных и вредных свойствах этих излучений.

Сегодня на уроке вы должны запомнить, что существует три вида невидимого излучения оптического диапазона, запомнить их свойства и применение на практике.

Узловые вопросы:

Виды излучений.

Свойства излучений.

Применение излучений.

Электромагнитные излучения существенно отличаются по своим свойствам, хотя и имеют единую физическую природу. Все виды электромагнитного излучения в той или иной степени проявляют волновые свойства (интерференцию, дифракцию, поляризацию) и квантовые (корпускулярные) свойства.

Шкала электромагнитных волн - непрерывная последовательность частот и длин волн электромагнитных излучений, представляют собой переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве.

По способу излучения волн различают: низкочастотное излучение и радиоволны; инфракрасное излучение; видимый свет и ультрафиолетовое излучение; рентгеновское излучение; гамма-излучение.

Все эти виды излучений представляют собой электромагнитные волны, имеющие одинаковую скорость распространения, равную скорости света, а порождают их заряженные частицы, движущиеся с ускорением.

Низкочастотные излучения (сверхдлинные радиоволны) возникают у проводников, по которым течет переменный ток, и вблизи генераторов электрического тока. Эти волны могут распространяться на незначительные расстояния и серьезно не влияют на живые организмы.

Переменный электрический ток порождает радиоволны с длиной волны от 10 км до ультракоротких и микроволн (длиной менее 0,1 мм).

Необходимо обратить внимание на воздействие мощных электромагнитных волн на здоровье человека. Медики утверждают, что сотовый телефон - это опасный источник электромагнитного излучения, потому что оно слишком близко примыкает к голове человека. Поглощаясь тканями головного мозга, волны передают им энергию, что приводит к нарушению нервной, эндокринной и сердечно-сосудистой систем.

2. Инфракрасное излучение

Излучение занимают диапазон частот 3*10¹¹ - 3,85*10¹⁴ Гц. Им соответствует длина

волны 780нм –1мм. Инфракрасное излучение было открыто в 1800 году астрономом Уильямом Гершлем. Изучая повышение температуры термометра, нагреваемого видимым светом, Гершель обнаружил наибольшее нагревание термометра вне области видимого света (за красной областью). Невидимое излучение, учитывая его место в спектре, было названо инфракрасным.

Источником инфракрасного излучения является излучение молекул и атомов при тепловых и электрических воздействиях. Мощный источник инфракрасного излучения –Солнце, около 50% его излучения лежит в инфракрасной области. На инфракрасное излучение приходится значительная доля (от 70 до 80 %) энергии излучения ламп накаливания с вольфрамовой нитью. Инфракрасное излучение испускает электрическая дуга и различные газоразрядные лампы. Излучения некоторых лазеров лежит в инфракрасной области спектра. Индикаторами инфракрасного излучения являются фото и терморезисторы, специальные фотоэмульсии. Инфракрасное излучение используют для сушки древесины, пищевых продуктов и различных лакокрасочных покрытий (инфракрасный нагрев), для сигнализации при плохой видимости, дает возможность применять оптические приборы, позволяющие видеть в темноте, а также при дистанционном управлении. Инфракрасные лучи используются для наведения на цель снарядов и ракет, для обнаружения замаскированного противника. Эти лучи позволяют определить различие температур отдельных участков поверхности планет, особенности строения молекул вещества (спектральный анализ). Инфракрасная фотография применяется в биологии при изучении болезней растений, в медицине при диагностике кожных и сосудистых заболеваний, в криминалистике при обнаружении подделок. При воздействии на человека вызывает повышение температуры человеческого тела.

3. Ультрафиолетовое излучение.

Излучение, не видимое глазом электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между видимым и рентгеновским излучением в пределах длин волн 10 – 380 нм (n=8*10¹⁴ - 3*10¹⁶ Гц). Ультрафиолетовое излучение было открыто в 1801 году немецким ученым Иоганном Риттером. Изучая почернение хлористого серебра под действием видимого света, Риттер обнаружил, что серебро чернеет еще более эффективно в области, находящейся за фиолетовым краем спектра, где видимое излучение отсутствует. Невидимое излучение, вызвавшее это почернение, было названо ультрафиолетовым. Источник ультрафиолетового излучения — валентные электроны атомов и молекул, также ускорено движущиеся свободные заряды. Излучение накаленных до температур - 3000 К твердых тел содержит заметную долю ультрафиолетового излучения непрерывного спектра, интенсивность которого растет с увеличением температуры. Более мощный источник ультрафиолетового излучения - любая высокотемпературная плазма. Для различных применений ультрафиолетового излучения используются ртутные, ксеноновые и др. газоразрядные лампы. Естественные источники ультрафиолетового излучения - Солнце, звезды, туманности и другие космические объекты. Однако лишь длинноволновая часть их излучения (l>290 нм) достигает земной поверхности. Для регистрации ультрафиолетового излучения при l= 230 нм используются обычные фотоматериалы, в более коротковолновой области к нему чувствительны специальные мало желатиновые фотослои.

Применяются фотоэлектрические приемники, использующие способность ультрафиолетового излучения, вызывать ионизацию и фотоэффект: фотодиоды, ионизационные камеры, счетчики фотонов, фото умножители. В малых дозах ультрафиолетовое излучение оказывает благотворное, оздоровительное влияние на человека, активизируя синтез витамина D в организме, а также вызывая загар. Большая доза ультрафиолетового излучения может вызвать ожог кожи и раковые новообразования (в 80 % излечимые). Кроме того, чрезмерное ультрафиолетовое излучение ослабляет иммунную систему организма, способствуя развитию некоторых заболеваний. Ультрафиолетовое излучение оказывает также бактерицидное действие: под действие этого излучения гибнут болезнетворные бактерии. Ультрафиолетовое излучение применяется в люминесцентных лампах, в криминалистике (по снимкам обнаруживают подделки документов), в искусствоведении (с помощью ультрафиолетовых лучей можно обнаружить на картинах не видимые глазом следы реставрации). Практически не пропускает ультрафиолетовое излучение оконное стекло, т.к. его поглощает оксид железа, входящий в состав стекла. По этой причине даже в жаркий солнечный день нельзя загореть в комнате при закрытом окне. Человеческий глаз не видит ультрафиолетовое излучение, т.к. роговая оболочка глаза и глазная линза поглощают ультрафиолет. Ультрафиолетовое излучение видят некоторые животные. Например, голубь ориентируется по Солнцу даже в пасмурную погоду.

4.Рентгеновское излучение.

Девяностые годы девятнадцатого века. Многие физики мира в то время исследовали потоки электронов, возникающих в откачанных стеклянных трубках, имевших различную форму. В стеклянный сосуд впаивались два электрода, к ним подводилось высокое напряжение. То, что от таких трубок распространяются какие-то лучи, подозревалось давно. В 1879 году опытным путем Крукс доказал, что речь идет именно о лучах: крест, используемый в опытах, отбрасывал на стекло отчетливую тень. В 1897 году Томсоном доказано, что лучи представляют собой поток электронов, определив отношение заряда к массе частицы.

Рентген работал с различными трубками, меняя места впайки электродов, форму стеклянного баллона. Но мельчайшие подробности событий вечера 8 ноября 1895 года хорошо известны.

Рентген: «Вечером 8 ноября 1895 года я, как обычно, работал в своей лаборатории, занимаясь изучением катодных лучей. Около полуночи, почувствовав усталость, я собрался уходить. Окинув взглядом лабораторию, погасил свет и хотел было закрыть дверь, как вдруг заметил в темноте какое-то светящееся пятно. Оказывается, светился экран из синеродистого бария. Почему он светился? Солнце давно зашло, электрический свет не мог вызвать свечения, катодная трубка выключена, да и в добавок закрыта черным чехлом их картона. Я еще раз посмотрел на катодную трубку и упрекнул себя: оказывается, я забыл ее выключить. Нащупав рубильник, я выключил трубку. Исчезло и свечение экрана. Включил трубку вновь и вновь появилось свечение. Значит свечение вызывает катодная трубка! Но каким образом? Ведь катодные лучи задерживаются чехлом, да и воздушный метровый промежуток между трубкой и экраном для них является броней. Оправившись от минутного изумления, я начал изучать обнаруженное явление и новые лучи, названные мной Х – лучами. С экраном в руках я начал двигаться по лаборатории. Оказывается, полтора – два метра для этих лучей не преграда. Они легко проникали через книгу, стекло, станиоль. Лучи, попавшие на фотопластинку, засветили ее. Они не расходились вокруг трубки сферически, а имели определенное направление».

Какими свойствами обладали обнаруженные Х – лучи?

«Пятьдесят суток - дней и ночей - были потрачены на исследования. Были забыты на это время семья, здоровье, Студенты, студенты. Он никого не посвящал в свою работу до тех пор, пока не разобрался во всем сам. Первым человеком, кому он доверил свое открытие, была я, его жена Берта. Он продемонстрировал свойства обнаруженных Х-лучей и попросил меня расположить кисть руки на пути неизвестных лучей. То, что я увидела, было фантастично и жутковато! На экране я увидела силуэт костей своей кисти.» -вспоминала жена Рентгена.

В 1901 году Рентген стал первым Нобелевским лауреатом. Х-лучи были названы рентгеновскими. Исследование их свойств не прекратилось. Возникло предположение, что рентгеновские лучи – электромагнитные волны, имеющие длину волны меньше, чем лучи видимого участка спектра и ультрафиолетовые лучи. Волнам присуще явление дифракции. Возможно ли наблюдение данного явления для рентгеновских лучей? Это было доказано спустя 15 лет после открытия Рентгена немецким физиком М.Лауэ: «Сначала я пропускал рентгеновские лучи через очень узкие щели в свинцовых пластинках, но ничего похожего на дифракцию обнаружить не удавалось. Я предположил, что длина волны лучей мала, чтобы можно было обнаружить дифракцию на искусственно созданных препятствиях. Ведь нельзя сделать щели размером 10-8 см, поскольку таков размер самих атомов. А если рентгеновские лучи имеют примерно такую же длину? Нельзя ли использовать кристаллы с их периодической структурой? Узкий пучок рентгеновских лучей я направил на кристалл, за которым расположил фотопластинку. Результат полностью согласовывался с самыми оптимистическими ожиданиями и его можно было объяснить только дифракцией рентгеновских лучей».

Как вы думаете, какая дифракционная картина была получена в опыте Лауэ?

Обнаружение дифракции рентгеновских лучей позволило оценить длину волны: λ≈10-8 см. В современных условиях для получения рентгеновских лучей созданы специальные рентгеновские трубки, на которые подается высокое напряжение, порядка 50-200 кВ. Электроны, испускаемые накаленным катодом рентгеновской трубки, ускоряются сильным электрическим полем в пространстве между анодом и катодом и с большой скоростью ударяются об анод.

Что является причиной возникновения рентгеновского излучения?

Вокруг летящих электронов существует магнитное поле, поскольку движение электронов представляет собой электрический ток. При резком торможении электрона в момент удара о препятствие магнитное поле электрона быстро изменяется и в пространство излучается электромагнитная волна.

Что собой будет представлять спектр рентгеновского излучения?

Тормозное излучение рентгеновской трубки имеет сплошной спектр.

Где используется рентгеновское излучение?

Рентгеновское излучение относится к радиационному. Различные рентгеновские аппараты используются в медицинских учреждениях.

Студентка. Я побывала в различных кабинетах медицинских учреждений и выяснила, что если предстоит флюорография грудной клетки, то действие излучения приведет к одномоментной дозе 370 мбэр. Еще больше даст рентгенография зуба – 3бэр. Если задумали рентгеноскопию желудка, то вас ждет 30 бэр местного облучения. Дозы эти очень небольшие, организм человека успевает за короткий срок как бы залечить незначительные радиационные поражения и восстановить свое первоначальное состояние. Источником излучения являются экран компьютера, телевизора. Если смотреть передачи в течение года ежедневно по 3 часа, то это приведет к облучению дозой 0,1 мбэр.

IV. Закрепление изученного материала.

1). Беседа по вопросам.

- Как называются излучения, находящиеся по обе стороны от видимого излучения? (инфракрасное и ультрафиолетовое).

- Где применяют эти излучения?

- Что представляет собой рентгеновское излучение?

- Почему возникает рентгеновское излучение?

- Какими свойствами оно обладает?

- Почему экран телевизора является источником рентгеновского излучения?

- Что дает густую тень на экране рентгеновской установки: алюминий или медь?

- Для чего врачи-рентгенологи при работе пользуются перчатками, фартуками, очками, в которые введены соли свинца?

2). Решение задач.

1. Сравните энергии фотонов, соответствующих рентгеновскому излучению длиной волны 3 · 10-11 м и инфракрасном длиной волны 6 мкм.

2. В двухэлектродной трубке напряжение между катодом и анодом 1000 В. Какой скорости приобретает электрон, пройдя расстояние между анодом и катодом?

3. Тест

1.Наибольшую проникающую способность имеет:

А. Ультрафиолетовое излучение

Б. Рентгеновский луч.

В. Инфракрасное излучение.

2. Рентгеновское излучение:

А. Возникает при резком торможении быстрых электронов.

Б. Испускается твердыми телами, нагретыми до большой температуры.

В. Испускается любым нагретым телом.

3. Какие излучения используются в медицине?

1) Инфракрасное.

2) Видимое.

3) Ультрафиолетовое.

4) Рентгеновское.

А. 1; 2; 4.

Б. 3

В. Все перечисленные излучения.

4. Почему рентгеновскую пленку хранят в свинцовой коробке, а при съемке её помещают в алюминиевую кассету?

А. Свинец предохраняет пленку только от светового излучения, а алюминий - от

рентгеновского.

Б. Свинец предохраняет пленку от любого излучения, а алюминий – от светового излучения.

В. Свинец и алюминий предохраняют пленку от рентгеновского излучения.

5. Рентгеновское излучение имеет длину волны:

А. Больше чем 7,6 *10 ^-7 м.

Б. Меньше чем 7,6 *10^-7 м.

В. Больше чем 7,6 *10 ^-7 м.

V. Поведение итогов урока.

VI. Рефлексия «Незаконченное предложение».

Студенты дописывают продолжение предложений «На уроке я открыл(а) для себя.», «Данный урок позволил мне…», «Такой урок интересен тем, что…».

VII. Домашнее задание: §84,85.

Дополнительные вопросы по теме урока.

Что собой представляет инфракрасное излучение?
В чем специфичность ультрафиолетового излучения?
Почему сушить окрашенные изделия лучше не в печах, а в инфракрасных сушилках?
Почему в облачную погоду на улице тепло?
Для чего спецодежду сталеваров покрывают прочным слоем фольги?
Почему в горах можно загореть значительно быстрее?
Осенью в садах белят стволы, а иногда и ветви деревьев. Для чего это делают?
Почему сварщики во время работы должны предохранять глаза темным стеклом?
Ртутные лампы ультрафиолетового излучения делают из кварцевого, а не из обычного стекла. Для чего?
Почему глаз зрительно не воспринимает волн короче 0,4 мкм?

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема: Решение задач.

Цель урока: обобщить изученный материал и подготовить учащихся к тематическому оцениванию знаний.

Задачи урока:

Образовательные: обобщение и систематизация знаний по теме, проверка знаний, умений, навыков. В целях повышения интереса к теме работу вести с помощью опорных конспектов.

Воспитательные: воспитание мировоззренческого понятия (причинно-следственных связей в окружающем мире), развитие у студентов коммуникативной культуры.

Развивающие: развитие самостоятельности мышления и интеллекта, умение формулировать выводы по изученному материалу, развитие логического мышления, развитие грамотной устной речи, содержащей физическую терминологию.

Тип урока: урок закрепления знаний.

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Урок начнем с повторения необходимых понятий для данной группы задач.

Электромагнитные колебания – это периодические и почти периодические изменения заряда, силы тока и напряжения.

Колебательный контур – цепь, состоящая из соединительных проводов, катушки индуктивности и конденсатора.

Свободные колебания – это колебания, происходящие в системе благодаря начальному запасу энергии с частотой, определяемой параметрами самой системы: L, C.

Скорость распространения электромагнитных колебаний равна скорости света: С = 3* 10⁸м/с

Основные характеристики колебаний

Амплитуда (силы тока, заряда, напряжения) – максимальное значение (силы тока, заряда, напряжения): Im, Qm, Um

мгновенные значения (силы тока, заряда, напряжения) – i, q, u

Мгновенные значения (силы тока, заряда, напряжения) – i, q, u

Урок необходимо посвятить подготовке учащихся к тематическому оцениванию знаний. Обобщая изученный материал, можно предложить учащимся задания в виде тестов с одним правильным ответом. Эти тесты предназначены для подготовки к самостоятельной работе и предлагаются всему классу для обсуждения без оценивания.

Это предоставит возможность для оперативной обратной связи и оценивания учителем степени готовности учащихся к этой работе. Вариант правильного ответа (А, Б, В или Г) учащиеся могут показывать, поднимая, например, 1, 2, 3 или 4 пальца. При этом работает весь класс, и ни у кого не будет возникать страха получить плохую оценку. Рассмотрим несколько примеров таких задач.

ТРЕНИРОВОЧНЫЕ ТЕСТЫ

1. Емкость конденсатора колебательного контура увеличили в 3 раза, а с катушки контура вынули сердечник, вследствие чего ее индуктивность уменьшилась в 48 раз. Во сколько раз изменился период свободных электромагнитных колебаний в контуре?

А) Уменьшился в 12 раз.

Б) Уменьшился в 4 раза.

В) Увеличился в 4 раза.

Г) Увеличился в 12 раз.

2. Во время свободных незатухающих электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из катушки индуктивности 40 мГн и конденсатора электроёмкостью 1 мкФ, максимальное напряжение на конденсаторе равно 60 В. Определите максимальную силу тока в катушке.

А) 0,15 А.

Б) 0,3 А.

В) 9,5 А.

Г) 12 А.

3. Во время свободных незатухающих электромагнитных колебаний в колебательном контуре максимальный заряд конденсатора равен 20 мкКл. Сколько раз в минуту модуль заряда конденсатора приобретает значение 15 мкКл, если частота колебаний 1 кГц?

А) 90 000.

Б) 120 000.

В) 180 000.

Г) 240 000.

4. В последовательной цепи переменного тока индуктивность катушки 10 мГн, электроемкость конденсатора 0,01 мкФ. Частоту переменного тока увеличивают от 8 до 12 кГц, не меняя амплитудного значения напряжения на полюсах источника тока. Определите, как изменяется амплитудное значение силы тока в цепи.

А) Все время увеличивается.

Б) Все время уменьшается.

В) Сначала увеличивается, затем уменьшается.

Г) Сначала уменьшается, затем увеличивается.

5. В генераторе на транзисторе возникают электромагнитные колебания частотой 50 кГц. Что нужно изменить, чтобы частота колебаний уменьшилась до 25 кГц.

А) Увеличить LCB в 2 раза.

Б) Уменьшить C в 2 раза.

В) Увеличить L в 4 раза.

Г) Уменьшить напряжение источника тока в 2 раза.

6. Напряженность электрического поля плоской электромагнитной волны колеблется вдоль направления север-юг, а индукция магнитного поля волны - вдоль вертикали. Определите возможное направление распространения волны.

А) На север.

Б) На запад.

В) Вверх.

Г) На юг.

7. Определите длину электромагнитной волны в вакууме, если частота волны 500 МГц.

А) 1,5 см.

Б) 6 см.

В) 15 см.

Г) 60 см.

8. В опытах Герца использования оцинкованного железа мало...

А) ...поглощения электромагнитных волн.

Б)...Отражения электромагнитных волн.

В)...Преломления электромагнитных волн.

Г ...излучения электромагнитных волн.

9. Определите функцию микрофона в радиосвязи.

А) Преобразования электромагнитных волн в звуковые.

Б) Образование звуковых колебаний.

В) Преобразования звуковых колебаний в электромагнитные.

Г) Усиление звуковых колебаний.

10. Определите, для чего может потребоваться увеличение промежутка времени между импульсами радиолокатора.

А) Для более точного определения направления на объект.

Б) Для увеличения максимального расстояния обнаружения объекта.

В) Для более точного определения расстояния до объекта.

Г) Для уменьшения минимального расстояния обнаружения объекта.

Задание 1

На рисунке показана схема модуляции электромагнитной волны.

А) Частота электромагнитной волны намного меньше, чем частота звуковых колебаний.

Б) Амплитуда высокочастотных колебаний изменяется со звуковой частотой.

В) Микрофон усиливает звуковые колебания.

Г) Звуковые колебания вырабатывает генератор колебаний.

Задание 2

Теорию электромагнитных явлений разработал английский физик Дж. Максвелл во второй половине XIX века.

А) Максвелл предположил, что свет - это разновидность электромагнитных волн.

Б) Электромагнитные волны, предсказанные Максвеллом, обнаружил опытным путем английских физик Майкл Фарадей.

В) Максвелл предположил, что постоянные электрическое и магнитное поля, взаимно порождая друг друга, могут распространяться в пространстве в виде электромагнитных волн.

Г) Электромагнитные волны могут излучаться только такими, что находятся в покое, или движущимися равномерно заряженными частицами.

Задание 3

Индуктивность катушки колебательного контура 0,5 мГн. Требуется настроить этот контур на частоту 1 МГц. Какой должна быть емкость конденсатора в этом контуре?

Домашнее задание

1. Подр-1: §§ 26-37; подр-2: §§ 15-18.

2. Подготовиться к итоговому оцениванию знаний по теме «Электромагнитные колебания и волны».

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема: Контрольная работа.

Цель урока: контроль и оценка знаний, умений и навыков, учащихся по изученной теме.

Задачи урока:

Дидактические: обобщение и систематизация знаний по теме, проверка знаний, умений, навыков.

Межпредметные связи: биология, математика, химия.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, экран, презентация Power Point, анимация из интернета.

ТСО: Электронный репетитор “Символ – Тест”

Учебно-наглядные пособия: плакаты, формулы, система Си.

Раздаточный материал: карточки с заданиями, контрольные листы.

Педагогическая технология: рефлексивно-критическая, коммуникативная.

Тип урока: урок контроля и оценивания знаний.

Вид урока: контроль знаний, практикум

Метод: проблемный, поисковый, рефлексия.

Литература для учащихся:

4) Рымкевич А. П. «Сборник задач по физике».10 – е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2006

5). Громцева О.И. Тематические контрольные и самостоятельные работы по физике.11класс

О.И. Громцева.-М.: Издательство «Экзамен»,2012.

Информационные ресурсы:

www.booksgid.com (Воокs Gid. Электронная библиотека).
www.globalteka.ru (Глобалтека. Глобальная библиотека научных ресурсов).
http://www.physics.ru Открытый колледж: Физика
http://www.elementy.ru Элементы: популярный сайт о фундаментальной науке.

Вариант – 1.

1. Электромагнитные колебания, свободные и вынужденные электромагнитные колебания, колебательный контур, соответствии между механическими и электрическими величинами, энергия электрического поля, энергия магнитного поля, переменный электрический ток.

2. Свет, свойства света, измерение скорости света астрономическим методом, принцип Гюйгенса, световые лучи, угол падения, угол отражения, угол преломления, законы отражения и преломление света, интерференция и дисперсия света.

3. Шкала электромагнитных излучений, инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения.

4. Во время свободных незатухающих электромагнитных колебаний в контуре, состоящем из катушки индуктивности 40 мГн и конденсатора электроёмкостью 1 мкФ, максимальное напряжение на конденсаторе равно 60 В. Определите максимальную силу тока в катушке.

5. Индуктивность катушки колебательного контура 0,5 мГн. Требуется настроить этот контур на частоту 1 МГц. Какой должна быть емкость конденсатора в этом контуре?

Вариант – 2.

1. Электрический резонанс, автоколебания, автоколебательные системы, генераторы, трансформаторы. Производство, передача и использование электрической энергии.

2. Электромагнитные волны, скорость электромагнитной волны, опыты Герца.

3. Линзы, виды линз, оптический центр линзы, оптические оси линзы, фокусное расстояние линзы, формула тонкой линзы, оптическая сила линзы, дифракция света, дифракционная решетка, виды излучений и источники тока.

4. Во время свободных незатухающих электромагнитных колебаний в колебательном контуре максимальный заряд конденсатора равен 20 мкКл. Сколько раз в минуту модуль заряда конденсатора приобретает значение 15 мкКл, если частота колебаний 1 кГц?

5. Максимальное значение напряжения на конденсаторе входного колебательного контура равен 20 мВ, а максимальное значение силы тока в контуре - 8 А. На какой длине волны работает радиоприемник, если емкость конденсатора равна 2000 пФ?

Раздел 4. Оптика

Тема: «Использование интерференции в науке и технике»

Цель урока: изучить явление интерференции света.

Свет – это электромагнитная волна. А для волн любой природы характерны свойства интерференции и дифракции.

Интерференция волн - явление усиления колебаний в одних точках пространства и ослабление в других в результате наложения двух или нескольких волн, приходящих в эти точки.

Интерференция – (лат. Enter– взаимно; ferio – ударяю) –явление наложения волн, вследствие которого наблюдается устойчивое во времени усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства.

Интерференция света применяется в различных аспектах современной жизни: просветление оптики, проверка качества обработки деталей, голография, фазовые волоконно-оптические датчики и другие оптические элементы и устройства с уникальными свойствами.

Свет, проходящий через линзы, например, в фотоаппарате, теряет свою силу примерно на 4%. А таких линз в оптических аппаратах может быть очень много, так что на выходе может не быть четкого изображения, а лишь размытое пятно. Во избежание этого применяют просветление оптики, то есть создание покрытий на поверхности оптических деталей. Это один из простейших и наиболее распространенных применений интерференции света.

При прохождении через специальное покрытие, созданной на поверхности линзы, волны, отраженные от границ раздела пленка-воздух и пленка-стекло, будут складываться в противофазе и «гасить» друг друга. Для большей эффективности, необходимо уравнять амплитуды обеих отраженных волн, которое достигается подбором материала пленки.

На практике, удачно подобрав материал пленки, удается снизить коэффициент отражения поверхности в 20-100 раз по сравнению с исходной поверхностью стекла - для когерентного излучения данной длины волны.

Профессиональная аппаратура (микроскопы, бинокли и другие) стараются сделать более просветленными, делая не один, а несколько слоев различной толщины. Но и дешевые фотоаппараты и камеры современных телефонов и смартфонов имеют просветленную оптику. А из-за того, что свет, попадающий на объектив не монохроматический, то просветление таких бытовых аппаратов выполняется из расчета на наилучшее просветление в области максимальной чувствительности глаза человека.

Еще одним важным применением интерференции света является голография. Голография представляет собой «трехмерную фотографию», так как, смотря на изображенный предмет под разными углами, можно его рассмотреть с разных сторон.

С помощью явления интерференции проверяют качество обработки деталей. Это бесконтактный контроль геометрических размеров и формы деталей, а также качество отшлифованных поверхностей. Для этого чаще всего используют кольца Ньютона: если поверхность идеальная, то кольца будут иметь форму окружностей; если же есть небольшие ошибки, то кольца будут искривляться.

Интерферометры

Для измерений интерференционным методом каких-либо характеристик исследуемого объекта используются специальные устройства, называемые интерферометрами. Интерферометры - это измерительные приборы, в которых используется интерференция волн. Принцип действия всех интерферометров одинаков, и различаются они лишь методами получения когерентных волн и тем, какая величина измеряется. Пучок света с помощью того или иного устройства пространственное разделяется на два или более число когерентных пучков, которые, проходя различные оптические пути, сводятся вместе. На месте схождения пучков наблюдается интерференционная картина, вид которой зависит от способа разделения пучка света на когерентные пучки, от числа интерферирующих пучков, разности их оптических путей (оптической разности хода), относительной интенсивности, размеров источника, спектрального состава света.

Методы получения когерентных пучков в интерферометрах очень разнообразны, поэтому существует огромное число разных конструкций интерферометров. Если же классифицировать по числу интерферирующих пучков света, то интерферометры можно разбить на многолучевые и двухлучевые.

Примером двухлучевого интерферометра может служить интерферометр Майкельсона (рисунок 5). Работает он следующим образом: пучок света от источника (*), попадая на светоделительную пластину, где делится на два пучка - прошедший и отраженный - примерно одинаковой интенсивности. Пройдя некоторые расстояния, эти пучки попадают на зеркала, отражаются ими в обратных направлениях и вновь попадают на делительную пластину. Пластина снова частично отражает и частично пропускает свет, в результате чего образуется пучок света, представляющий собой смесь пучков, прошедших через разные плечи интерферометра. Этот пучок наблюдается на экране.

Рисунок. 5. Интерферометр Майкельсона.

Интерферометр Майкельсона широко используется в физических измерениях и технических приборах. С его помощью была впервые измерена абсолютная величина длины света, доказана независимость скорости света от движения Земли.

При замене плоских зеркал в интерферометре Майкельсона отражающими триэдрами его используют для измерения углов с точностью до 10-6 радиан. Сочетание интерферометра Майкельсона с микроскопом (микроинтерферометр В. П. Линника) позволяет по виду интерференционной картины определять величину и форму микронеровностей металлических поверхностей.

Существуют двухлучевые интерферометры для измерения показателей преломления газов и жидкостей, - интерференционные рефрактометры. Один из них - интерферометр Жамена (рисунок 6). Пучок света после отражения от передней и задней поверхностей первой пластины P1 разделяется на два пучка. Пройдя кюветы K1 и K2, пучки, отразившиеся от поверхностей P2, попадают в зрительную трубку Т. Если коэффициент преломления одной из кювет с газом или жидкостью известен, то можно определить коэффициент преломления второй кюветы с другими газом или жидкостью.

Рисунок. 6. Интерференция свет пучок

Разновидностями интерферометра Жамена являются интерферометр Маха-Цендера, где используются две полупрозрачные пластинки, и интерферометр Рождественского, где используются два зеркала. В этих интерферометрах расстояние между пучками может быть очень большим, что облегчает установку в один из них различных исследуемых объектов, поэтому они широко применяются в аэрогазодинамических исследованиях.

Точность измерения показателей преломления с помощью интерференционных рефрактометров (Жамена, Маха-Цендера, Рождественского, Рэлея) очень высока и достигает седьмого и даже восьмого десятичного знака.

Для измерения угловых размеров звезд и угловых расстояний между двойными звездами применяется звездный интерферометр Майкельсона (рисунок 7). Свет от звезды, отразившись от зеркал М1, М2, М3, М4, образуют в фокальной плоскости телескопа интерференционную картину, по которой можно определить угловое расстояние через соседние максимумы. При наличии двух близких звезд, находящимися на определенном угловом расстоянии, в телескопе образуются две интерференционные картины, по разности хода волн которых можно определить угловое расстояние между ними.

Рисунок. 7. Звездный интерферометр Майкельсона.

Многолучевой интерферометр Фабри-Перо (рисунок 8) состоит из двух стеклянных или кварцевых пластинок P1 и P2, не обращенных друг к другу и параллельные между собой поверхности, которых нанесены зеркальные покрытия с высокой (85-98%) коэффициентом отражения. Параллельный пучок света, падающий из объектива О1, в результате многократных отражений от зеркал образуется большое число когерентных пучков с постоянной разностью хода между соседними пучками. В результате многолучевой интерференции в фокальной плоскости L объектива О2 образуется интерференционная картина, имеющая форму концентрических колец с резкими интенсивными максимумами, положение которых зависит от длины волны. Поэтому интерферометр Фабри-Перо разлагает сложное излучение в спектр.

Применяется интерферометр Фабри-Перо как интерференционный спектральный прибор высокой разрешающей силы. Специальные сканирующие интерферометры Фабри-Перо с фотоэлектрической регистрацией используются для исследования спектров видимой, инфракрасной и сантиметровой областях длин волн. Разновидностью интерферометра Фабри-Перо являются оптические резонаторы лазеров, излучающая среда которых располагается между зеркалами.

Рисунок. 8. Интерферометр Фабри-Перо.

К многолучевым интерферометрам также относятся различного рода дифракционные решетки, которые используются как интерференционные спектральные приборы.

С помощью интерферометров производится точное измерение длин световых волн.

Также можно измерить коэффициенты линейного расширения твердых тел; весьма малое изменение размеров ферромагнетиков в магнитном поле или сегнетоэлектриков в электрическом поле.

Интерференционные методы позволяют проверить качество шлифовки линз и зеркал, что очень важно при изготовлении оптических приборов; с их помощью измеряются коэффициенты преломления веществ, в частности газов, измеряются весьма малые концентрации примесей в газах и жидкостях. В астрономии интерференционные методы позволяют оценить угловой диаметр звезд.

Контрольные вопросы:

1. Какие явления мы рассмотрели на уроке?

Независимость распространения световых пучков и интерференцию света.

2. Какие факты доказывают существование интерференции света?

3. Каким образом можно объяснить причины возникновения этого явления? При каких условиях интерференция волн проявляется особенно отчетливо?

4. Какие формулы можно вывести для описания картины интерференции? Для max? Для min?

5. Какие величины в них входят?

6. Как можно определить длину световой волны, используя установку для получения картины интерференции?

Раздел 4. Оптика.

Тема: «Дифракция на щели в параллельных лучах».

1. Виды дифракции. В оптике различают два типа дифракционных явлений. В тех случаях, когда дифракционная картина, создаваемая сферической или плоской волной, изучается в точке, лежащей на конечном расстоянии от препятствия, говорит о дифракции Френеля.

Йозеф Фраунгофер изучил в 1820 г. типы дифракции в параллельных лучах. Дифракционная картина, образованная параллельными лучами, формируется в идеале на бесконечности от препятствия, а реально в фокусе собирающей линзы. В результате освещенность картины сильно увеличивается.

В отличие от дифракции в сходящихся лучах, называемой дифракцией Френеля, дифракцию в параллельных лучах называют дифракцией Фраунгофера. Последняя имеет важное значение в виду того, что на ее основе создан такой замечательный многолучевой интерферометр как дифракционная решетка.

2. Дифракция света на щели. Пусть на щель шириной, а перпендикулярно падает пучок параллельных лучей (рис.126). Щель СВ вырезает часть падающей плоской волны. Все точки этой части фронта являются источниками вторичных когерентных волн, которые интерферируют друг с другом. Результат интерференции в любом направлении под углом j можно определить, если разбить щель на зоны так, чтобы каждые две вторичные волны были сдвинуты друг относительно друга на полволны, то есть lç2.

Если разбиение дает четное число зон, то все волны попарно гасят друг друга, и в направлении j наблюдается минимум освещенности. Если же разбиение дает нечетное число зон, то одна волна остается не скомпенсированной, и в направлении j наблюдается максимум освещенности.

Для наблюдения дифракционной картины в параллельных лучах на конечном расстоянии используется собирающая линза, в фокальной плоскости которой размещается экран (рис.127). На экране наблюдаются светлые и темные полосы, параллельные щели. В центре, где j = 0, всегда наблюдается светлая полоса (центральный максимум).

Максимальное число темных полос в любую сторону от центра находится из условия: sinj = klça = 1. Отсюда k_max= açl.

Если ширина щели меньше l, нет ни одного минимума. Все пространство заполнено центральным максимумом.

С увеличением ширины щели положение первых минимумов смещается к центру картины, центральный максимум становится все резче. При a >> l в центре получается резкое изображение щели, а боковые максимумы становятся неразличимыми.

Обычная оптическая щель в лабораторных условиях имеет ширину не более 1 мм. Если ее длина в 50-100 раз больше ширины, щель может считаться одномерной.

Диаметр линзы, с помощью которой формируется дифракционная картина от щели, обычно в сотни и тысячи раз больше ширины щели. Если щель перемещать параллельно самой себе и экрану в пределах линзы, то дифракционная картина, наблюдаемая на экране, остается неподвижной. Ее главный максимум лежит в фокусе линзы.

Если расстояние от щели до экрана много больше ширины щели, то дифракция Фраунгофера будет реализоваться и в отсутствии линзы, при условии, что на щель падает плоская волна. В этом случае лучи, идущие от краев щели к любой точке экрана, остаются практически параллельными.

3. Дифракция света на круглом отверстии. Если длину щели уменьшить так, чтобы получилось прямоугольное отверстие со сторонами, мало отличающимися друг от друга, то дифракционная картина получается как бы от двух щелей, перпендикулярных друг другу (рис.128).

Если же отверстие круглое, то дифракционная картина получается в виде концентрических светлых и темных полос (рис.129). Во всех случаях в центре светлое пятно. Решение дифракционной задачи от круглого отверстия в параллельных лучах сложно, поскольку зоны Френеля имеют разную площадь. Поэтому длины суммируемых векторов в векторной диаграмме так же имеют разные значения.

Угловой радиус темных колец определяется приближенным соотношением: (15.3)

Здесь R-радиус отверстия, k-номер темного дифракционного кольца, считая от центра.

Дифракция света на круглом отверстии очень важна в практике оптических приборов, поскольку все оправы линз и объективов имеют круглую форму.

В чистом виде эта дифракция реализуется в телескопах при наблюдении звезд. Поскольку звезды удалены от Земли на столь огромные расстояния, что их угловые размеры находятся за пределами оптического разрешения, свет от них идет параллельными лучами. При наблюдении звезды в фокусе телескопа получается не изображение звезды, а дифракционная картина от круглой оправы объектива телескопа в параллельных лучах.

Как видно из формулы (15.3), чем больше диаметр объектива 2R, тем меньше самое маленькое дифракционное кольцо, тем точнее можно определить положение звезды.

4. Дифракционная решетка– это система из большого числа параллельных щелей одинаковой ширины, а, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга b. Расстояние a + b = d называется периодом решетки.

Если на решетку падает волновой фронт, то интерферируют не только вторичные волны, идущие от разных точек одной щели, но и волны, идущие от соответственных (одинаково расположенных) точек разных щелей (рис.130).

Закономерности интерференции вторичных волн на N щелях можно сформулировать в виде трех выводов.

а. Если решетка находится от линзы на расстоянии L >> Nd, где N – число щелей решетки, d – ее период, то интерференционные картины от одиночных щелей просто накладываются одна на другую. Интенсивность света в каждой точке интерференционной картины от одной щели в случае решетки увеличивалась в N раз.

На рис.127 условию L >> Nd соответствует перенос щели в пределах линзы. Независимо от положения щели все лучи, идущие под углом j, соберутся в точке A.

б. Появляются направления, в которых волны от соответственных точек щелей усиливают друг друга, dsinj = ± kl, где k = 0, 1, 2, 3 … . Это главные максимумы решетки. Центральному максимуму соответствует k = 0.

в. Появляются направления, в которых система лучей от всех N щелей дает нулевую освещенность, поскольку набегающая от всех N щелей в этих направлениях разность хода составляет целое число длин волн. (N∙d)sinj = ± kl, где …Векторная сумма амплитуд образует замкнутый многоугольник. Замыкающий вектор обращается в нуль. Этим направлениям соответствуют вторичные минимумы (первичными называют минимумы у одной щели). Их число N – 1. Итак, интерференционная картина от дифракционной решетки определяется тремя условиями:

аsinj = ± kl, k = 0, 1, 2, 3 … . (минимумы единичной щели) (15.4)

dsinj = ± kl, k = 0, 1, 2, 3 … . (главные максимумы решётки) (15.5)

(N∙d)sinj = ± kl, … (вторичные минимумы системы N щелей) (15.6)

На рис.131 показана схема расположения максимумов и минимумов интенсивности в интерференционной картине от решетки с параметрами: . По горизонтальной оси отложены значения sin в пределах от –1 до +1. Здесь: 1-кривая, показывающая расположение максимумов и минимумов в интерференционной картине от одной щели, 2-кривая интенсивности главных максимумов. Их число соответствует dçl = 4. (в одну сторону нуля). Но в направлениях, соответствующих sinj = ± ½ и sinj = ± 1, главне максимумы приходятся на минимумы одиночной щели. Там нет света, поэтому главные максимумы в направлениях k = ± 2 и k = ± 4 не реализуются.

Раздел 4. Оптика

Тема: «Понятие о голографии. Поляризация поперечных волн».

Голография - безлинзовое получение оптических изображений путем так называемого восстановления волнового фронта. Применим метод Рэлея для уяснения идеи голографии. В принципе идея голографии была выдвинута и экспериментально проверена польским физиком М. Вольфке (1883-1947).

Процесс получения изображения в голографии распадается на две стадии. На первой стадии изготовляется голограмма, т. е. фотопластинка, с помощью которой можно восстанавливать световую волну, рассеянную телом. Вторую стадию составляет само восстановление этой волны и Метод голографии позволяет записывать сотни раз больше страниц печатного текста, чем метод микрофотографии. Метод находит все большее применение получение оптического изображения.

Длительное время основатели волновой оптики Юнг и Френель считали световые волны продольными, т. е. подобными звуковым волнам. В то время световые волны рассматривались как упругие волны в эфире, заполняющем пространство и проникающем внутрь всех тел. Такие волны, казалось, не могли быть поперечными, так как поперечные волны могут существовать только в твердом теле. Но как могут тела двигаться в твердом эфире, не встречая сопротивления? Ведь эфир не должен препятствовать движению тел. В противном случае не выполнялся бы закон инерции.

Однако постепенно набиралось все больше и больше экспериментальных фактов, которые никак не удавалось истолковать, считая световые волны продольными.

Рассмотрим один из них (демонстрация кристалла турмалина, рассказ о нем).

Опыт 1: Возьмем прямоугольную пластинку турмалина так, что одна из ее сторон совпадает с направлением его оптической оси. Направим нормально на такую пластинку пучок света от электрической лампы. Обнаружим, что световой пучок, пройдя через кристалл турмалина, стал чуть менее интенсивен и приобрел зеленоватую окраску. Других видимых изменений светового пучка не видно. Если пластинку вращать вокруг пучка, никакого изменения интенсивности света, прошедшего через нее, это не вызовет.

Вывод: свет только частично поглотился в турмалине и приобрел зеленоватую окраску. Вращение пластинки вокруг пучка света не влияет на его интенсивность, следовательно, световая волна, идущая от источника, полностью симметрична.

Опыт 2: Расположим вторую такую же пластинку из турмалина параллельно первой. Обнаружим, что световой пучок, пройдя через вторую пластинку, стал еще менее интенсивен.

Вывод: световой пучок еще более ослабляется за счет поглощения во втором кристалле.

Опыт 3: Будем поворачивать вторую пластинку вокруг пучка, оставляя первую неподвижной. Мы заметим, что по мере увеличения угла между осями интенсивность света уменьшается. И когда оси перпендикулярны друг другу, свет не проходит совсем. Он целиком поглощается вторым кристаллом.

Вывод: изменение интенсивности света происходит только тогда, когда свет, прошедший одну из пластинок, встречает другую, ось которой меняет свое направление по отношению к оси первой. Следовательно, световая волна, вышедшая из первого кристалла, не обладает осевой симметрией.

Следовательно, свет – поперечная волна.

В падающем от обычного источника пучке волн присутствуют колебания всевозможных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн.

Световая волна с колебаниями по всем направлениям, перпендикулярным направлению распространения, называется естественной.

Однако поперечность волны не объясняет изменения интенсивности света при повороте второго кристалла.

Поляроид представляет собой тонкую (0,1 мм) пленку кристаллов герапатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку. Прозрачные пленки (полимерные, монокристаллические и др.), преобразуюют неполяризованный свет в линейно поляризованный, т.к. пропускают свет только одного направления поляризации. Поляроиды изобретены американским ученым Э. Лэндом в 1932 году.

Если естественный свет падает на границу раздела двух диэлектриков (например, воздуха и стекла), то часть его отражается, а часть преломляется и распространяется во второй среде. Устанавливая на пути отраженного и преломленного лучей анализатор (например, турмалин), можно убедиться в том, что отраженный и преломленный лучи частично поляризованы: при поворачивании анализатора вокруг лучей интенсивность света периодически усиливается и ослабевает (полного гашения не наблюдается!). Дальнейшие исследования показали, что в отраженном луче преобладают колебания, перпендикулярные плоскости падения, в преломленном - колебания, параллельные плоскости падения.

Контрольные вопросы:

Чем отличается естественный свет от поляризованного?

В чем заключается явление поляризации?

Можно ли экспериментально доказать, что световые волны поперечные?

Что называют поляроидом?

Подведение итогов урока.

Кристалл турмалина (поляроид) преобразует естественный свет в плоскополяризованный. Поляризация - одно из волновых свойств света. Различные источники света могут испускать как поляризованный, так и неполяризованный свет. При помощи поляроидов можно управлять интенсивностью света. Явление поляризации света встречается в природе, широко используется в современной технике. Свет – это поперечная волна.

Домашнее задание.

Дополнительно: Найти материал о применении поляроидов и о поляризованном свете (в виде доклада).

Тема урока: «Поляризация света. Двойное лучепреломление. Поляроиды»

Цель:

сформировать понятие о поляризации света, объяснить поляризацию света с точки зрения волновых представлений, организовать на уроке самостоятельное изучение данного явления с помощью выполнения экспериментальных заданий

закрепление основных навыков экспериментальной работы;

Развитие познавательных умений и самостоятельности к творческому поиску при решении конкретных задач;

Развитие умений анализировать работу; умение сравнивать теоретические выводы и результат эксперимента.

План урока:

Поляризация света. Двойное лучепреломление.

Поляроиды

Повторение

Вопросы:

Что такое свет? Ответ: свет – это электромагнитные волны

Поперечны или продольны электромагнитные волны? Что совершает колебания?

Ответ: Электромагнитные волны поперечны. Векторы напряженности электрического поля Е и индукции магнитного поля В перпендикулярны друг другу, колеблются в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Каковы фазы колебаний векторов Е и В? Ответ: Векторы В и Е колеблются в одинаковых фазах, т.е. достигают максимума и минимума одновременно в одних и тех же точках пространства.

Какова скорость света в вакууме? Ответ: Скорость света равна 300000 км/с.

1. Поляризация света. Двойное лучепреломление.

Уже после наблюдения интерференции и дифракции основатели волновой оптики (Юнг и Френель) считали, что световые волны продольные (как звуковые волны). Считалось, что эфир заполняет все пространство, проникает во все тела, а в эфире распространяются упругие продольные световые волны. Потому что поперечные волны, могут распространяться только в твердых телах. Но многие исследования ученых не объяснялись, если считать световые волны продольными.

Опыты с турмалином.

Рассмотрим опыт с кристаллами турмалина, доказавший, что световая волна – Поперечная.

Одна из граней пластины турмалина (кристалл зеленого цвета) параллельна оси кристалла. При освещении пластинки ничего не происходит, толь свет немного поглотится и станет зеленоваты

Удивительные свойства обнаружатся, если свет пройдет еще через такой же кристалл параллельный первому.

Когда оси кристаллов направлены одинаково, луч света просто становится слабее, за счет поглощения. Если же вторую пластинку вращать, оставляя первую неподвижной, то происходит Гашение света. Сначала свет становится все слабее и когда оси кристаллов будут перпендикулярны друг другу – свет полностью поглощается второй пластиной турмалина.

Поперечность световых волн.

Сделав два предположения, опыт с пластинами турмалина смогли объяснить.

Первое предположение: световая волна – поперечная; Свет от источника содержит в себе колебания самых разных направлений, перпендикулярных направлению распространения волн.

Из этого предположения вытекает: световая волна поперечная, хотя и обладает осевой симметрией, (свойство продольных волн).

Волна света с колебаниями по всем направлениям перпендикулярным направлению распространения называется Естественной.

Второе предположение: кристалл турмалина пропускает световые колебания, лежащие в одной определенной плоскости.

Это поляризованный или плоскополяризованный свет. Естественный свет можно называть неполяризованный. Значит, турмалин преобразует естественный свет в плоскополяризованный.

Механическая модель опытов с турмалином.

Простая механическая модель помогает понять роль пластинки турмалина для поляризации света.

В резиновом шнуре создана поперечная волна, как аналог естественной световой волны. Если пропустить такую волну через узкий ящик, то из всех колебаний выделится колебание в одной плоскости. После прохождения через ящик получается поляризованная волна. Размещенный на ее пути другой ящик, повернутый на 90⁰ относительно первого, не пропускает колебания. Волны гасятся.

3. Поляроиды.

Свойствами, как и турмалин, обладают пленки (толщиной – 0,1 мм) из кристаллов герапатита, которые наносят на стекло или целлулоид и получают поляроиды. Из поляроидов можно изготавливать большие поверхности, поляризующие свет. Недостаток поляроидов: фиолетовый оттенок, который они придают белому свету.

Электромагнитная теория света.

Электромагнитная теория света началась с работ Д. Максвелла, который теоретически доказал, что они существуют, что скорость электромагнитных и световых волн одна и та же.

Из работ Максвелла вытекало доказательство поперечности световых волн.

Г. Герц обнаружил электромагнитные волны экспериментально, измерил их скорость – это первое опытное подтверждение электромагнитной теории света.

Открытие электромагнитной теории света было сделано теоретически. Через некоторое время теорию экспериментально подтвердили.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что свет является поперечной волной. Позже это показал и Максвелл, дополнив это утверждение тем, что свет является не только поперечной, но еще и электромагнитной волной.

Свет, излучаемый каким-либо источником, представляет собой суммарное электромагнитное излучение множества атомов. Атомы, в свою очередь, излучают световые волны независимо друг от друга, поэтому световая волна, излучаемая телом в целом, характеризуется всевозможными равновероятностными направлениями колебаний световоговектора напряженности (т.к. во всех процессах взаимодействия света с веществом основную роль играет именно он, поэтому его еще называют световым вектором).

Свет со всевозможными равновероятными ориентациями вектора напряженности относительно оси распространения называется естественным или неполяризованным светом.

Свет, в котором наблюдается преимущественное направление колебаний вектора напряженности (но не исключительное!) называют частично поляризованным.

А вот свет, в котором вектор напряженности колеблется в определенной плоскости, называется плоско- или линейно поляризованным.

Можно, также заставить вектор напряженности при колебаниях описывать окружность или эллипс. Тогда в первом случае свет называется поляризованным по кругу, а во втором — эллиптически поляризованным.

В настоящее время известно, что не только кристаллы турмалина способны поляризовать свет. Таким же свойством, например, обладают так называемые поляроиды.

Поляроид представляет собой тонкую (около 0,1 мм) поляризационную плёнку, например, кристаллов гепатита, нанесенную на целлулоид или стеклянную пластинку, которая заклеена между двумя прозрачными плёнками для защиты от влаги и механических повреждений.

Преимущество поляроидов состоит в том, что можно создавать большие поверхности, поляризующие свет.

К недостаткам можно отнести то, что поляроиды придают фиолетовый оттенок белому свету.

В настоящее время, явление поляризации электромагнитных волн находит огромное применение как в науке и технике, так и в повседневной жизни человека. Например, в трехмерном кинематографе оно используется для разделения изображения для левого и правого глаза.

В обычной видео- и фотоаппаратуре поляризационные фильтры используются для улучшения качества изображения.

Также на качественные солнечные очки наносится поляризационная пленка, для того чтобы избавиться от бликов, которые получаются при отражении света. Современные жидкокристаллические экраны телевизоров, мониторов и мобильных телефонов также покрыты поляризационными пленками. В машиностроении и строительной индустрии явление поляризации используют для исследования напряжений, возникающих в узлах машин и строительных конструкций.

Многие насекомые в отличие от человека видят поляризацию света. Пчелы и муравьи пользуются этой своей способностью для ориентировки в тех случаях, когда Солнце закрыто облаками.

Любопытные поляризационные эффекты наблюдаются и при редких небесных оптических явлениях, таких, как радуга и гало — светящихся кругов или дуг, появляющихся иногда вокруг Солнца и Луны.

Наконец, следует отметить, что поляризован и свет некоторых астрономических объектов. Наиболее известный пример — Крабовидная туманность в созвездии Тельца.

Основные выводы:

– Поляризацией света называется совокупность явлений, в которых проявляется свойство поперечности световых волн.

– Прибор, превращающий неполяризованную волну в поляризованную, называется поляризатором.

– Прибор, позволяющий установить, поляризована или нет проходящая через него волна, называется анализатором.

– Явление поляризации электромагнитных волн в настоящее время находит огромное применение как в науке и технике, так и в повседневной жизни человека.

Контрольные вопросы:

1. Как опыты с турмалином помогли доказать, что световые волны поперечны?

2. На механической модели опытов с турмалином пояснить процесс поляризации света.

3. Как была создана электромагнитная теория света?

Тема: «Спектры испускания. Спектры поглощения».

Цель урока: – познакомиться со спектрами химических веществ и практическим применением спектрального анализа в астрофизике, химии и других отраслях.

ПЛАН УРОКА:

Спектроскоп и спектрограф.

Виды спектров испускания.

Спектры поглощения.

Спектральный анализ.

Применение спектрального анализа.

1. Спектроскоп и спектрограф.

Для точного исследования спектров такие простые приспособления, как узкая щель, ограничивающая световой пучок, и призма, уже недостаточны. Необходимы приборы, дающие четкий спектр, т. е. приборы, хорошо разделяющие волны различной длины и не допускающие перекрытия отдельных участков спектра. Такие приборы называют спектральными аппаратами. Чаще всего основной частью спектрального аппарата является призма или дифракционная решетка.

Рассмотрим схему устройства призменного спектрального аппарата. Исследуемое излучение поступает вначале в часть прибора, называемую коллиматором

Коллиматор представляет собой трубу, на одном конце которой имеется ширма с узкой щелью, а на другом - собирающая линза. Щель находится на фокусном расстоянии от линзы. Поэтому расходящийся световой пучок, попадающий на линзу из щели, выходит из нее параллельным пучком и падает на призму.

Так как разным частотам соответствуют различные показатели преломления, то из призмы выходят параллельные пучки, не совпадающие по направлению. Они падают на линзу. На фокусном расстоянии этой линзы располагается экран -матовое стекло или фотопластинка. Линза фокусирует параллельные пучки лучей на экране, и вместо одного изображения щели получается целый ряд изображений. Каждой частоте (узкому спектральному интервалу) соответствует свое изображение. Все эти изображения вместе и образуют спектр.

Описанный прибор называется спектрографом. Если вместо второй линзы и экрана используется зрительная труба для визуального наблюдения спектров, то прибор называется спектроскопом. Призмы и другие детали спектральных аппаратов необязательно изготовляются из стекла. Вместо стекла применяются и такие прозрачные материалы, как кварц, каменная соль и др.

Спектральный состав излучения веществ весьма разнообразен. Но, несмотря на это, все спектры, как показывает опыт, можно разделить на три типа.

2. Виды спектров испускания.

Непрерывный (сплошной) спектры.

Эксперимент №1 по наблюдению спектра при помощи проекционного аппарата ФОС.

Спектр можно получить, используя осветитель. Его световой поток пропускают через диафрагму с узкой щелью, объектив и дифракционную решётку или призму. Включим осветитель. Поместим за решёткой полупрозрачный экран. На экране наблюдается центральный дифракционный максимум. Он виден как белая полоса. Чуть дальше расположен максимум первого порядка. При использовании в осветителе лампы накаливания на экране наблюдается спектр.

Осветитель

Диафрагма с узкой щелью

Объектив

Дифракционная решётка

Экран

Спектр

Эксперимент №2 по наблюдению спектра при помощи спектроскопа

Направив узкую щель коллиматора на лампу накаливания, через зрительную трубу можно наблюдать спектр.

С помощью веб-камеры, компьютера и мультимедийного проектора спектр можно вывести на экран всему классу. Используя цифровой фотоаппарат, сфотографировать его.

Спектр, полученный с помощью дифракционной решётки

Спектр, полученный с помощью спектроскопа

Что же мы видим в наблюдаемых спектрах? Есть ли разрывы в данном спектре? (Слушаем ответы учащихся, а затем даём вместе понятие данного спектра).

В наблюдаемых спектрах мы видим все цвета радуги, то есть волны всех длин. В спектре нет разрывов и он представляет сплошную, непрерывную разноцветную полосу. Такие спектры называют непрерывными или сплошными.

Солнечный спектр или спектр дугового фонаря является непрерывным.

Непрерывные (или сплошные) спектры, как показывает опыт, дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии, а также сильно сжатые газы. Для получения непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры.

Характер непрерывного спектра и сам факт его существования определяются не только свойствами отдельных излучающих атомов, но и в сильной степени зависят от взаимодействия атомов друг с другом.

Непрерывный спектр дает также высокотемпературная плазма. Электромагнитные волны излучаются плазмой в основном при столкновении электронов с ионами.

Линейчатый спектр.

Эксперимент №1 по наблюдению линейчатого спектра при помощи проекционного аппарата ФОС.

Вместо лампы накаливания, воспользуемся осветителем, лампа которого излучает свет благодаря электрическому разряду в парах ртути. Наблюдается спектр в виде отдельных линий. Видны жёлтая, зелёная, синяя и фиолетовые линии спектра. (Слайд10) (Учащиеся наблюдают спектр).

Осветитель

Электрический разряд в парах ртути

спектр

Эксперимент №2 Внесем в бледное пламя газовой горелки кусочек асбеста, смоченного раствором обыкновенной поваренной соли. При наблюдении пламени в спектроскоп на фоне едва различимого непрерывного спектра пламени вспыхнет ярко желтая линия. Эту желтую линию дают пары натрия, которые образуются при расщеплении молекул поваренной соли в пламени.

Эксперимент№3 Помещаем в генератор высоковольтный спектральные газоразрядные трубки с гелием, водородом, криптоном. Генератор подключаем к источнику питания. С помощью спектроскопа наблюдаем за спектрами. (Слайд12)

гелий

водород

криптон

Что представляют спектры, которые вы наблюдали? (Слушаем ответы учащихся).

Каждый из спектров- это частокол цветных линий различной яркости, разделённых широкими тёмными полосами. Такие спектры называются линейчатыми. Наличие линейчатого спектра означает, что вещество излучает свет только вполне определенных длин волн (точнее, в определенных очень узких спектральных интервалах). Каждая из линий имеет конечную ширину.

Линейчатые спектры дают все вещества в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный, основной тип спектров.

Изолированные атомы данного химического элемента излучают строго определенные длины волн.

При увеличении плотности атомарного газа отдельные спектральные линии расширяются и, наконец при очень большой плотности газа, когда взаимодействие атомов становится существенным, эти линии перекрывают друг друга, образуя непрерывный спектр.

Линейчатые спектры представлены в учебнике рис.V,2,3,4 на цветной вклейке.

1-натрий; 2-водород; 3-гелий

Полосатые спектры.

Как вы думаете, чем отличаются спектры, которые излучаются атомами от молекулярных? (ответы учащихся) Для наблюдения молекулярных спектров так же, как и для наблюдения линейчатых спектров, обычно используют свечение паров в пламени или свечение газового разряда.

С помощью очень хорошего спектрального аппарата можно обнаружить, что каждая полоса представляет собой совокупность большого числа очень тесно расположенных линий, разделённых тёмными промежутками. Это полосатый спектр. В отличие от линейчатых спектров полосатые спектры создаются не атомами, а молекулами, не связанными или слабо связанными друг с другом.

3. Спектры поглощения.

Все вещества, атомы которых находятся в возбужденном состоянии, излучают световые волны, энергия которых определенным образом распределена по длинам волн. Поглощение света веществом также зависит от длины волны. Так, красное стекло пропускает волны, соответствующие красному свету и поглощает все остальные. Если пропускать белый свет сквозь холодный, неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее интенсивно свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра - это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Спектры поглощения представлены в учебнике рис.V,5-8 на цветной вклейке.

4. Спектральный анализ

Линейчатые спектры играют особо важную роль, потому что их структура прямо связана со строением атома. Ведь эти спектры создаются атомами, не испытывающими внешних воздействий.

Главное свойство линейчатых спектров состоит в том, что длины волн (или частоты) линейчатого спектра какого-либо вещества зависят только от свойств атомов этого вещества, но совершенно не зависят от способа возбуждения свечения атомов. Атомы любого химического элемента дают спектр, не похожий на спектры всех других элементов: они способны излучать строго-определенный набор длин волн.

1. натрий; 2.водород; 3. гелий

На этом основан спектральный анализ - метод определения химического состава вещества по его спектру. Подобно отпечаткам пальцев у людей линейчатые спектры имеют неповторимую индивидуальность. Неповторимость узоров на коже пальца помогает часто найти преступника. Точно так же благодаря индивидуальности спектров каждого атома химического элемента, имеется возможность определить химический состав тела. С помощью спектрального анализа можно обнаружить данный элемент в составе сложного вещества, если даже его масса не превышает 10^-10г. Это очень чувствительный метод.

Количественное содержание элемента в исследуемом образце определяется путем сравнения интенсивности отдельных линий спектра этого элемента с интенсивностью линий другого химического элемента, количественное содержание которого в образце известно.

Количественный анализ состава вещества по его спектру затруднен, так как яркость спектральных линий зависит не только от массы вещества, но и от способа возбуждения свечения. Так, при низких температурах многие спектральные линии вообще не появляются. Однако при соблюдении стандартных условий возбуждения свечения можно проводить и количественный спектральный анализ.

В настоящее время определены спектры всех атомов и составлены таблицы спектров. С помощью спектрального анализа были открыты многие новые элементы: рубидий, цезий и др. Элементам часто давали названия в соответствии с цветом наиболее интенсивных линий спектра. Рубидий дает темно-красные, рубиновые линии. Слово цезий означает «небесно-голубой». Это цвет основных линий спектра цезия

5. Применение спектрального анализа.

Астрофизика. Астрофизика –раздел физики по определению химического состава звёзд, газовых облаков и т.д. и их физических характеристик: температуры, давления, скорости движения, магнитной индукции.

С помощью спектрального анализа узнали химический состав Солнца и звезд, комет. Другие методы анализа здесь вообще невозможны. Оказалось, что звезды состоят из тех же самых химических элементов, которые имеются и на Земле. Любопытно, что гелий первоначально открыли на Солнце и лишь затем нашли в атмосфере Земли. Название этого элемента напоминает об истории его открытия: слово гелий означает в переводе «солнечный».

Спектральный анализ можно производить не только по спектрам испускания, но и по спектрам поглощения. Именно линии поглощения в спектре Солнца и звезд позволяют исследовать химический состав этих небесных тел. Ярко светящаяся поверхность Солнца - фотосфера - дает непрерывный спектр. Солнечная атмосфера поглощает избирательно свет от фотосферы, что приводит к появлению линий поглощения на фоне непрерывного спектра фотосферы. Но и сама атмосфера Солнца излучает свет. Во время солнечных затмений, когда солнечный диск закрыт Луной, происходит обращение линий спектра. На месте линий поглощения в солнечном спектре вспыхивают линии излучения.

Не так давно, астрономы при помощи спектральных анализов установили, что в центре некоторых галактик находятся чёрные дыры.

Астрономы использовали телескоп Уильяма Гершеля и с его помощью нашли способ, который позволяет определить химический состав атмосферы планет вне солнечной системы, что, по мнению ученых, может помочь в поиске неземных цивилизаций.

Металлургия, машиностроение, атомная индустрия.

Благодаря сравнительной простоте и универсальности спектральный анализ является основным методом контроля состава вещества в металлургии, машиностроении, атомной индустрии. С помощью спектрального анализа определяют химический состав руд и минералов.

Состав сложных, главным образом органических, смесей анализируется по их молекулярным спектрам.

Криминалистика

Спектральный анализ широко применяют в криминалистике, для расследования улик, найденных на месте преступления. Также спектральный анализ в криминалистике хорошо помогает определять орудие убийства и вообще раскрывать некоторые частности преступления.

Медицина

Еще шире спектральный анализ используют в медицине. Здесь его применение весьма велико. Его можно использовать для диагностирования, а также для того, чтобы определять инородные вещества в организме человека.

Спектральный анализ прогрессирует не только науку, но и общественную сферу человеческой деятельности.

Контрольные вопросы: Какие виды спектров вы знаете?

Какой спектр называется спектром поглощения?

Что называют спектральным анализом?

Где применяется спектральный анализ?

Раздел 3. Электродинамика. Электромагнитные колебания и волны.

Тема: «Решение задач»

Задача 1. Определить оптическую силу стеклянной линзы, находящейся в воздухе, если линза: 1) двояковыпуклая с радиусом кривизны поверхностей R₁ = 50 см; R₂ = 30 см; 2) выпукло-вогнутая с радиусом кривизны поверхностей R₁ = 25 см; R₂ = 40 см.

а)

Дано:

n_л= 1,6

n_ср= 1

R₁ = 25 см

R₂ = 40 см.

Решение:

Во всех случаях будем использовать формулу линзы в виде:

Значения радиусов кривизны обеих поверхностей линзы берем со знаком «+», т. к. обе поверхности - выпуклые.

Линза собирающая (D > 0).

D - ?

б)

Дано:

n_л= 1,6

n_ср= 1

R₁ = 0,25 м

R₂ = - 0,4 м.

Решение:

Линза собирающая (D > 0).

D - ?

Задача 2. При помощи линзы, фокусное расстояние которой 20 см, получено изображение предмета на экране, удаленном от линзы на 1 м. На каком расстоянии от линзы находится предмет? Каким будет изображение?

Дано:

F = 20 cм = 0,2м

f = 1м

Решение:

1/d + 1/f = 1/F

Все величины (d, f, F) взяты с положительным знаком, т. к. предмет, его изображение и главные фокусы собирающей линзы -действительные.

d - ?

Найдем увеличение линзы:

Задача 3. Рассматривая предмет в собирающую линзу и располагая его на расстоянии 4 см от нее, получают его мнимое изображение, в 5 раз большее самого предмета. Какова оптическая сила линзы?

Дано:

d = 4 см = 0,04 м.

Г = 5

Решение:

Значение расстояния/в формуле линзы взято с отрицательным знаком, т. к. изображение - мнимое.

D - ?

Задача 4. В трубку вставлены две собирающие линзы на расстоянии 20 см одна от другой. Фокусное расстояние первой линзы 10 см; второй - 4 см. Предмет находится на расстоянии 30 см от первой ■ линзы. На каком расстоянии от второй линзы получится действительное изображение?

Дано:

а = 20 см = 0,2 м

F₁ = 10 см = 0,1 л

F₂ = 4 см = 0,04 м

d₁ = 30cм = 0,3 м

Определим расстояние f от изображения, даваемого первой линзой, до нее самой:

f₂ - ?

Тогда расстояние d₂ от изображения, даваемого первой линзой, до второй линзы равно: d₂ = а – f₁, где а - расстояние между линзами, d₂ = 0,2 м - 0,15 м = 0,05 м.

Действительное изображение, построенное первой линзой, является действительным предметом для второй собирающей линзы:

Задача 5. Заданы главная оптическая ось линзы NN, положение источника S и его изображения S´. Найдите построением положение оптического центра линзы С и ее фокусов для трех случаев (рис. 1).

Решение:

Для нахождения положения оптического центра С линзы и ее фокусов F используем основные свойства линзы и лучей, проходящих через оптический центр, фокусы линзы или параллельно главной оптической оси линзы.

Случай 1. Предмет S и его изображение расположены по одну сторону от главной оптической оси NN (рис. 2).

Проведем через S и S´ прямую (побочную ось) до пересечения с главной оптической осью NN в точке С. Точка С определяет положение оптического центра линзы, расположенной перпендикулярно оси NN. Лучи, идущие через оптический центр С, не преломляются. Луч SA, параллельный NN, преломляется и идет через фокус F и изображение S´, причем через S´ идет продолжение луча SA. Это значит, что изображение S´ в линзе является мнимым. Предмет S расположен между оптическим центром и фокусом линзы. Линза является собирающей.

Случай 2. Проведем через S и S´ побочную ось до пересечения с главной оптической осью NN в точке С - оптическом центре линзы (рис. 3).

Луч SA, параллельный NN, преломляясь, идет через фокус F и изображение S´, причем через S´ идет продолжение луча SA. Это значит, что изображение мнимое, а линза, как видно из построения, рассеивающая.

Случай 3. Предмет S и его изображение лежат по разные стороны от главной оптической оси NN (рис. 4).

Соединив S и S´, находим положение оптического центра линзы и положение линзы. Луч SA, параллельный NN, преломляется и через фокус F идет в точку S´. Луч через оптический центр идет без преломления.

Задача 6. На рис. 5 изображен луч АВ, прошедший сквозь рассеивающую линзу. Постройте ход луча падающего, если положение фокусов линзы известно.

Решение:

Продолжим луч АВ до пересечения с фокальной плоскостью РР в точке F´ и проведем побочную ось ОО через F´ и С (рис. 6).

Луч, идущий вдоль побочной оси ОО, пройдет, не меняя своего направления, луч DA, параллельный ОО, преломляется по направлению АВ так, что его продолжение идет через точку F´.

Задача 7. На собирающую линзу с фокусным расстоянием F1 = 40 см падает параллельный пучок лучей. Где следует поместить рассеивающую линзу с фокусным расстоянием F2 = 15 см, чтобы пучок лучей после прохождения двух линз остался параллельным?

Решение: По условию пучок падающих лучей ЕА параллелен главной оптической оси NN, после преломления в линзах он должен таковым и остаться. Это возможно, если рассеивающая линза расположена так, чтобы задние фокусы линз F1 и F2 совпали. Тогда продолжение луча АВ (рис. 7), падающего на рассеивающую линзу, проходит через ее фокус F2, и по правилу построения в рассеивающей линзе преломленный луч BD будет параллелен главной оптической оси NN, следовательно, параллелен лучу ЕА. Из рис. 7 видно, что рассеивающую линзу следует поместить на расстоянии d=F1-F2=(40-15)(см)=25 см от собирающей линзы.

Ответ: на расстоянии 25 см от собирающей линзы.

Задача 8. Высота пламени свечи 5 см. Линза дает на экране изображение этого пламени высотой 15 см. Не трогая линзы, свечу отодвинули на l = 1,5 см дальше от линзы и, придвинув экран, вновь получили резкое изображение пламени высотой 10 см. Определите главное фокусное расстояние F линзы и оптическую силу линзы в диоптриях.

Решение: Применим формулу тонкой линзы , где d - расстояние от предмета до линзы, f - расстояние от линзы до изображения, для двух положений предмета:

, (1)

. (2)

Из подобных треугольников АОВ и A₁OB₁ (рис. 8) поперечное увеличение линзы будет равно = , откуда f₁ = Γ₁d₁.

Аналогично для второго положения предмета после передвижения его на l: , откуда f₂ = (d₁ + l)Γ₂.
Подставляя f₁ и f₂ в (1) и (2), получим:

. (3)
Из системы уравнений (3), исключив d₁, находим

.
Оптическая сила линзы

дптр.

Ответ: , дптр.

Задача 9. Двояковыпуклая линза, сделанная из стекла с показателем преломления n = 1,6, имеет фокусное расстояние F₀ = 10 см в воздухе (n₀ = 1). Чему будет равно фокусное расстояние F₁ этой линзы, если ее поместить в прозрачную среду с показателем преломления n₁ = 1,5? Определите фокусное расстояние F₂ этой линзы в среде с показателем преломления n₂ = 1,7.

Решение:

Оптическая сила тонкой линзы определяется формулой

,
где n_л - показатель преломления линзы, n_ср - показатель преломления среды, F - фокусное расстояние линзы, R₁ и R₂ - радиусы кривизны ее поверхностей.

Если линза находится в воздухе, то

; (4)
в среде с показателем преломления n₁:

; (5)
в среде с показателем преломления n:

. (6)
Для определения F₁ и F₂ выразим из (4):

.
Подставим полученное значение в (5) и (6). Тогда получим

см,

см.
Знак "-" означает, что в среде с показателем преломления большим, чем у линзы (в оптически более плотной среде) собирающая линза становится рассеивающей.

Ответ: см, см.

Задача 10. Система состоит из двух линз с одинаковыми по модулю фокусными расстояниями. Одна из линз собирающая, другая рассеивающая. Линзы расположены на одной оси на некотором расстоянии друг от друга. Известно, что если поменять линзы местами, то действительное изображение Луны, даваемое этой системой, сместится на l = 20 см. Найдите фокусное расстояние каждой из линз.

Решение:

Рассмотрим случай, когда параллельные лучи 1 и 2 падают на рассеивающую линзу (рис. 9).

После преломления их продолжения пересекаются в точке S, являющейся фокусом рассеивающей линзы. Точка S является "предметом" для собирающей линзы. Ее изображение в собирающей линзе получим по правилам построения: лучи 1 и 2, падающие на собирающую линзу, после преломления проходят через точки пересечения соответствующих побочных оптических осей ОО и O´O´ с фокальной плоскостью РР собирающей линзы и пересекаются в точке S´ на главной оптической оси NN, на расстоянии f₁ от собирающей линзы. Применим для собирающей линзы формулу

, (7)
где d₁ = F + a.

Пусть теперь лучи падают на собирающую линзу (рис. 10). Параллельные лучи 1 и 2 после преломления соберутся в точке S (фокусе собирающей линзы). Падая на рассеивающую линзу, лучи преломляются в рассеивающей линзе так, что продолжения этих лучей проходят через точки пересечения К₁ и К₂ соответствующих побочных осей О₁О₁ и О₂О₂ с фокальной плоскостью РР рассеивающей линзы. Изображение S´ находится в точке пересечения продолжений вышедших лучей 1 и 2 с главной оптической осью NN на расстоянии f₂ от рассеивающей линзы.
Для рассеивающей линзы

, (8)
где d₂ = a - F.
Из (7) и (8) выразим f₁ и -f₂ :

, .
Разность между ними по условию равна

l = f₁ - (-f₂) = .
Откуда см.

Ответ: см.

Задача 11. Собирающая линза дает на экране изображение S´ светящейся точки S, лежащей на главной оптической оси. Между линзой и экраном на расстоянии d = 20 см от экрана поместили рассеивающую линзу. Отодвигая экран от рассеивающей линзы, получили новое изображение S´´ светящейся точки S. При этом расстояние нового положения экрана от рассеивающей линзы равно f = 60 см.

Определите фокусное расстояние F рассеивающей линзы и ее оптическую силу в диоптриях.

Решение:

Изображение S´ (рис. 11) источника S в собирающей линзе Л₁ находится на пересечении луча, идущего вдоль главной оптической оси NN и луча SA после преломления идущего в направлении AS´ по правилам построения (через точку К₁ пересечения побочной оптической оси ОО, параллельной падающему лучу SA, с фокальной плоскостью Р₁Р₁ собирающей линзы). Если поставить рассеивающую линзу Л₂, то луч AS´ изменяет направление в точке К, преломляясь (по правилу построения в рассеивающей линзе) в направлении KS´´. Продолжение KS´´ проходит через точку К₂ пересечения побочной оптической оси 0´0´ с фокальной плоскостью Р₂Р₂ рассеивающей линзы Л₂.

По формуле для рассеивающей линзы

,
где d - расстояние от линзы Л₂ до предмета S´, f - расстояние от линзы Л₂ до изображения S´´.

Отсюда см.
Знак "-" указывает, что линза рассеивающая.

Оптическая сила линзы дптр.

Ответ: см, дптр.

Решите самостоятельно:

1. Определить оптическую силу стеклянной линзы, находящейся в воздухе, если линза:

1) двояковогнутая с радиусами кривизны R\ = 20 см; R2 = 40 см;

2) плосковыпуклая с радиусом кривизны выпуклой поверхности R = 60 см;

3) вогнуто-выпуклая с радиусами кривизны поверхностей Л, = 20 см; R2 = 35 см.

2. Свеча находится на расстоянии 12,5 см от собирающей линзы, оптическая сила которой равна 10 дптр. На каком расстоянии от линзы получится изображение и каким оно будет?

3. Человек, сняв очки, читает книгу, держа ее на расстоянии 16 см от глаз. Какой оптической силы у него очки?

Раздел 4. Строение атома и квантовая физика.

Тема. Зарождение квантовой теории. Световые кванты.

Цель урока: ознакомить студентов с историей зарождения квантовой теории; разъяснить студентам явление фотоэффекта.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	15 мин.	Самостоятельная работа «Волновая оптика»
Демонстрации	15 мин.	1. Фотоэффект на цинковой пластинке 2. Видеофрагменты фильма «Фотоэффект»
Изучение нового материала	35 мин.	1. Гипотеза Планка. 2. Явление фотоэффекта. 3. Теория фотоэффекта
Закрепление изученного материала	25 мин.	1. Учимся решать задачи. 2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Гипотеза Планка

Развитие квантовой теории положили начало работы Макса Планка по теории излучения черного тела, появились в 1900 году. Попытка построить теорию излучения черного тела на основе законов классической физики привела к серьезным трудностям.

Чтобы достичь согласия между теорией и опытом, надо было принять, что свет излучается и поглощается отдельными порциями (квантами). Это означало, что свет имеет свойства не только волн, но и частиц.

14 декабря 1900 г. немецкий физик Макс Планк выступил на заседании Немецкого физического общества с докладом, посвященным проблеме распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Предложенное им решение проблемы стало первым шагом в создании современной физики микромира.

Свет излучается и поглощается веществом не непрерывно, а отдельными порциями - квантами.

Причем энергию такого кванта определяла величина

E = hv,

где h - постоянная Планка.

По современным данным, h = 6,63·10-34 Дж·с .

Однако в то время не было прямых экспериментальных доказательств существования квантов излучения. В результате идею Планка большинство физиков восприняли как «ловкий фокус», не имеет серьезных научных оснований.

После открытия Планка начала развиваться новая, самая современная и глубокая физическая теория - квантовая теория. Развитие ее не завершено и по сей день.

2. Явление фотоэффекта

Фотоэффект был открыт в 1887 году Генрихом Герцем, однако первые экспериментальные исследования были осуществлены российским ученым А. Г. Столетовым.

Фотоэффект - явление вырывания электронов из вещества под действием света.

Многочисленные эксперименты и наблюдения позволили сделать вывод: явление фотоэффекта практически без инерции; интенсивность фотоэффекта зависит от рода металла, величины светового потока и спектрального состава излучения.

Законы фотоэффекта были экспериментально установлены профессором Московского университета А. Г. Столетовым:

1). Количество электронов, которые ежесекундно вырываются с поверхности металла, прямо пропорциональна поглощенной энергии света.

2). Максимальная кинетическая энергия вырванных электронов линейно увеличивается соответственно рост частоты света, что падает.

3). Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света, при которой еще наблюдается фотоэффект.

Законы фотоэффекта простые по форме. Но зависимость кинетической энергии электронов от частоты казалась загадочной.

3. Теория фотоэффекта

в 1905 году Альберт Эйнштейн предложил теорию, которая давала пояснения сразу всей совокупности экспериментальных фактов о фотоэффект. Развив и углубив идеи Планка, Эйнштейн пришел к выводу, что свет должен не только излучаться и поглощаться, но и распространяться в виде отдельных порций энергии - квантов электромагнитного поля. Эти кванты иначе называют фотонами.

Эйнштейн считал, что при взаимодействии с веществом фотон ведет себя подобно частицы и передает свою энергию веществу в целом и даже не атом, а только отдельным электронам. Во время поглощения фотона металлом его энергия E = hvпередается свободному электрону. Она тратится на освобождение электрона из металла - на работу выхода и передачи ему кинетической энергии. При этом энергия фотона передается электрону в металле только целиком, а сам фотон перестает существовать.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

где hv - энергия поглощенного фотона; А - работа выхода электрона из металла; - кинетическая энергия, с которой электрон покидает поверхность металла.

Уравнение Эйнштейна можно рассматривать как выражение закона сохранения энергии для единичного акта взаимодействия фотона с электроном. Оно позволяет объяснить все законы фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотона может быть выражена так:

а его скорость

Отсюда следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона, а, следовательно, и его максимальная начальная скорость зависят от частоты света и не зависят от интенсивности света.

Заровнённая hv = A скорость фотоэлектрона и кинетическая энергия равны нулю. В этом случае электрон как бы «выпадает» из металла с нулевой скоростью. Имеем порог фотоэффекта:

Интенсивность света прямо пропорциональна числу фотонов nф и энергии каждого из них hv. Каждый фотон будет целиком поглощено только одним электроном. Поэтому число вырванных светом фотоэлектронов, а, следовательно, и фототок насыщения пропорционален nф, т.е. интенсивности света (первый закон фотоэффекта).

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. В чем сущность квантовых представлений о распространение и поглощение света?

2. Какие факты свидетельствуют о наличии у света корпускулярных свойств?

3. Какие факты свидетельствуют о наличии у света волновых свойств?

Второй уровень

1. Какие законы фотоэффекта нельзя объяснить на основе волновой теории света?

2. Что нового внес Эйнштейн в развитие квантовых представлений по сравнению с гипотезой Планка?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Почему за частот, меньших от красной границы, фотоэффект не наблюдается?

2. Почему для разных веществ красная граница фотоэффекта имеет разные значения?

3. Частота световой волны от первого источника в 1,5 раза больше, чем частота световой от второго. Сравните энергии фотонов, что выпускают эти источники.

2). Учимся решать задачи

1. Красная граница фотоэффекта для никеля равна 248 нм. Ли наблюдаться фотоэффект при освещении никеля светом, длина волны которого 300 нм? 200 нм?

2. Работа выхода электронов из калия равна 3,55·10-19 Дж. Определите длину волны красной границы фотоэффекта.

3. Работа выхода электронов из натрия равна 3,6·10-19 Дж. Возникает ли фотоэффект при облучении натрия видимым излучением? инфракрасным?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Свет излучается и поглощается веществом не непрерывно, а отдельными порциями - квантами.

Фотоэффект - явление вырывания электронов из вещества под действием света.

Законы фотоэффекта:

1. Количество электронов, которые вырываются ежесекундно с поверхности металла, прямо пропорциональна поглощенной энергии света.

2. Максимальная кинетическая энергия вырванных электронов линейно увеличивается соответственно рост частоты света, что падает.

3. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света, при которой еще наблюдают фотоэффект.

Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта:

Домашнее задание

1. Подр.: § 88,89.

2. Упр. 11 № 2,4.

Раздел 4. Строение атома и квантовая физика.

Тема. Фотоны. Применение фотоэффекта. Давления света.

Цель урока: закрепить знания студентов о законах фотоэффекта при решении конкретных задач; ознакомить их с практическим применением явления фотоэффекта; дать понятие о фотон как элементарную частицу электромагнитного излучения; изучить основные свойства фотона.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	25 мин.	1. Гипотеза Планка. 2. Явление фотоэффекта. 3. Законы фотоэффекта
Демонстрации	15 мин.	Видеофрагменты фильма «Строение и действие фотоэлементов»
Изучение нового материала	35 мин.	1. Применение фотоэффекта. 2. Фотоны. 3. Люминесценция. 4. Корпускулярно-волновой дуализм 5. Решение задач
Закрепление изученного материала	15 мин.	1. Учимся решать задачи. 2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Применение фотоэффекта

Явление фотоэффекта широко применяют в науке и технике: оно позволяет осуществить непосредственное преобразование энергии света в электрическую энергию. Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. В фотоэлементах энергия света управляет энергией электрического тока или превращается в нее.

Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому источники электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке, а так же передача движущихся изображений (телевидение).

В аэронавигации, в военном деле широко применяют фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачны.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

2. Фотоны

Термин «фотон» был введен химиком Г. Льюисом в 1926 году. В современной физике фотон - это переносчик электромагнитного взаимодействия (часто называется элементарной частицей), фундаментальная составляющая света и всех других форм электромагнитного излучения.

Фотон имеет нулевую массу покоя, не имеет электрического заряда и не распадается спонтанно в вакууме. Поскольку фотон - безмассовая частица, он движется в вакууме со скоростью света в вакууме.

Про фотон нельзя сказать, что он разогнался до скорости света в вакууме - он просто не может остановиться или двигаться медленнее. Взаимодействие с веществом может стать причиной исчезновения фотона (когда свет поглощается), его превращение в другие частицы, но не торможения.

Из формулы специальной теории относительности для энергии частицы и ее импульса можно исключить скорость частицы с и вывести соотношение

Следовательно, для частицы с нулевой массой Е = ср. Отсюда получаем выражение для импульса фотона:

Воспользовавшись связью между частотой v и длиной световой волны (v = с/λ), получаем p = h/λ. Направление импульса фотона совпадает с направлением распространения света.

3. Люминесценция

Некоторые вещества сами излучают свет после того, как их обременили светом. Это явление называют люминесценцией. Люминесценция - нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения.

Люминесценция возникает под действием:

· света;

· радиоактивного и рентгеновского излучений;

· электрического поля;

· во время химических реакций и механических воздействий.

Примеры люминесценции - свечение гниющего дерева, некоторых насекомых, экрана телевизора.

На явлении люминесценции основан важнейшее направление квантовой электроники, способствовал созданию квантовых генераторов света.

Существует несколько типов люминесценции:

· катодолюминесценция - обусловлена твердых тел бомбардировкой быстрыми электронами;

· хемилюминесценция - свечение, использующее энергию химических реакций;

· фотолюминесценция - свечение под действием видимого света и ультрафиолетового излучения; ее разновидностью является флуоресценция и фосфоресценция;

· рентгенолюминесценцяя - свечение под действием рентгеновских лучей;

· радиолюминесценция - возникает вследствие облучения вещества гамма-излучением;

· электролюминесценция - возникает во время пропускания электрического тока через люминофоры определенных типов.

Лазерная указка

4. Корпускулярно-волновой дуализм

Давление света — Поток фотонов (свет), который при соударении с поверхностью оказывает давление.

Поток фотонов, падающие на поглощающую поверхность :

Поток фотонов, падающие на зеркальную поверхность :

Поток фотонов, падающие на поверхность :

В Формуле мы использовали:

— Давление света

— Сила, с которой давит фотон

— Площадь поверхности, на которую происходит давление света

— Импульс одного фотона

— Постоянная Планка

— Скорость света

— Плотность потока энергии

— Интенсивность света

— Промежуток времени

Физический смысл Давления света:

Свет — это поток фотонов, то, согласно принципам классической механики, частицы при ударе о тело должны передавать ему импульс, другими словами — оказывать давление

Прибор, измерения давления света, представлял собой очень чувствительный крутильный динамометр (крутильные весы). Создал данный прибор Лебедев. Его подвижной частью являлась подвешенная на тонкой кварневой нити легкая рамка с укрепленными на ней крылышками — светлыми и черными дисками толщиной до 0,01 мм. Крылышки делали из металлической фольги. Рамка была подвешена внутри сосуда, из которого откачали воздух. Свет, падая на крылышки, оказывал на светлые и черные диски разное давление. В результате на рамку действовал вращающий момент, который закручивал нить подвеса. По углу закручивания нити и определяли давление света.

Классическая физика всегда четко разграничивало объекты, имеющие волновую природу (например, свет и звук), и объекты, имеющие дискретную корпускулярную структуру (например, системы материальных точек). Одно из самых значительных достижений современной физики - убеждение в ошибочности противопоставлений волновых и квантовых свойств света. Рассматривая свет как поток фотонов, а фотоны как кванты электромагнитного излучения, имеющих одновременно волновые и корпускулярные свойства, современная физика смогла объединить, казалось бы, непримиримые теории - волновую и корпускулярную. В результате возникло представление о корпускулярно-волновой дуализм, что было положено в основу всей современной физики.

Корпускулярно-волновой дуализм - проявление в поведении одного и того же объекта как корпускулярных, так и волновых свойств.

Следовательно, квант света - это не волна, но и не корпускула в понимании Ньютона. Фотоны - особые микрочастицы, энергия и импульс которых (в отличие от обычных материальных точек) выражаются через волновые характеристики - частоту и длину волны.

5. Решение задач

1). Когда длину волны излучения, падающего на катод фотоэлемента, уменьшили от λ1 = 500 нм до λ2 = 400 нм максимальная скорость фотоэлектронов увеличилась в 2 раза. Определите красную границу фотоэффекта λmах для этого катода.

Решение

После изменения длины волны излучения максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов увеличилась в 4 раза. Согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта

Исключая из этих уравнений Еk1, найдем

Поскольку получаем Проверив единицы величин и подставив числовые значения, находим красную границу фотоэффекта: 545 нм.

2. На рисунке приведен график зависимости затримувальной напряжения от частоты электромагнитного излучения, которое действует на катод вакуумного фотоэлемента. Которая затримувальна напряжение соответствует точке А на графике?

(Ответ: 1,25 В.)

3. На рисунке показана вольт-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента. На его катод действует свет, длина волны которого 450 нм. Найдите красную границу фотоэффекта для данного катода. (Ответ: 0,55 мкм)

4. Какой наименьшей напряжением полностью содержатся электроны, вырванные из вольфрамовой пластинки ультрафиолетовыми лучами, длина волны которых 0,1 мкм? Работа выхода для вольфрама 4,5 эв. (Ответ: 8.)

5. Работа выхода электронов из калия равна 2,25 эв. С какой скоростью вылетают электроны с калия, если его освещали монохроматическим светом, длина волны которого 365 нм?

(Ответ: 6,4·105 м/с.)

6. Определите постоянную Планка, если с увеличением частоты электромагнитного излучения в процессе фотоэффекта на 1,21·1011 кГц затримувальний потенциал увеличился на 0,5 В. (Ответ: 6,61·10-34 Дж·с)

Очень часто для измерения энергии заряженных частиц в атомной и ядерной физике применяют единицу, которая имеет название электрон-вольт:

7 электрон-вольт (1 эв) - это энергия, которую приобретает частица с зарядом, равен заряду электрона (q0 = 1,6·10-34 Кл) при прохождении разности потенциалов в 1 В.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Как связана энергия и масса в теории относительности?

2. Или фотон может находиться в состоянии покоя в какой-либо инерционной системе отсчета?

3. Меняется энергия фотона при переходе из одной среды в другую?

Второй уровень

1. Сравните энергии фотонов, соответствующие зеленому и красному свету.

2. Назовите отличительные свойства частиц вещества и частиц электромагнитного поля (фотонов).

3. Какие волновые и корпускулярные характеристики света связывает формула Планка:

E = hv.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Приведите примеры проявления корпускулярных и волновых свойств света.

2. Сравните энергии фотонов инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

2). Учимся решать задачи

1. Найдите импульс фотона видимого света, длина волны в вакууме которого 600 нм.

2. Найдите импульс фотона ультрафиолетового излучения частотой 1,5·1015 Гц.

3. На поверхность твердого тела нормально падает излучение лазера, длина волны которого 660 нм. Какой импульс передает поверхности каждый фотон, что падает?

Рассмотрите два случая:

а) поверхность черная;

б) поверхность зеркальная.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Основные свойства фотона:

1. Является частицей электромагнитного поля.

2. Движется со скоростью света.

3. Существует только в движении.

4. Остановить фотон нельзя: он либо движется со скоростью света, либо не существует.

Люминесценция - нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения.

Домашнее задание

1. Подр.: § 90 – 93. .

2. Упр. 12 № 5,6.

Раздел 4. Строение атома и квантовая физика.

Тема: Атом и атомное ядро.

Цель урока: рассказать студентам о строении атома; ознакомить их с планетарной моделью атома по Резерфордом; раскрыть пути выхода из кризиса классической физики.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Демонстрации

15 мин.

1. Таблицы: схема опыта Резерфорда; планетарная модель атома.

2. Видеофрагмент фильма «Опыт Резерфорда»

Изучение нового материала

50 мин.

1. Модель атома Томсона.

2. Опыты Резерфорда.

3. Планетарная модель атома.

4. Недостатки планетарной модели атома.

5. Квантовые постулаты Бора.

6. Последствия постулатов Бора.

7. Спектральный анализ.

8. Атомные спектры и теория Бора

Закрепление изученного материала

25 мин.

1. Учимся решать задачи.

2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Модель атома Томсона

К 1902 г. было осуществлено достаточно экспериментов, которые убедительно доказали, что электрон является одной из основных составных частей любого вещества.

Джозеф Джон Томсон показал на основе классической электромагнитной теории, что размеры электрона должны быть около 10-15 м. Кроме того, было известно, что размеры атомов составляют несколько ангстрем (один ангстрем равен 10-10 м). На этом основании Томсон 1903 г. предложил модель атома, согласно которой атомы представляют собой однородные шары из положительно заряженного вещества, в котором находятся электроны. Суммарный заряд электронов равен положительному заряду атома. Поэтому атом в целом электрически нейтрален. Эта модель получила название «пудинг», потому что электроны были вкраплены в положительно заряженное среду подобно изюму в пудинге.

Отклонение электрона в атоме от положения равновесия приводит к возникновению вращательной силы. Поэтому электрон, выведенный в определенный способ из положения равновесия, совершает колебания, а потому является источником электромагнитного излучения.

Модель Томсона казалась привлекательной с точки зрения того, что предполагала наличие электронов в атоме. Однако она просуществовала только до 1911 года.

2. Опыты Резерфорда

Резерфорд предложил своим сотрудникам экспериментально проверить состоятельность модели атома Томсона. Идея опыта была проста. Если модель атома Томсона соответствует действительности, то, пропуская через очень тонкую металлическую пленку узкий пучок быстрых α-частиц, экспериментаторы не должны обнаружить сколько-нибудь заметного отклонения этих частиц.

Резерфорд установил, что каждая α-частица, попадая на экран из сернистого цинка, вызывает вспышку света. Рассеявшись в золотой фольге, α-частицы попадали затем на экран, и их потом регистрировал микроскоп.

Стоило надеяться, что пучок α-частиц при прохождении через тонкую фольгу слегка расплывется на незначительные углы. Такое рассеяние на малые углы действительно наблюдалось, но совершенно неожиданно оказалось, что примерно одна α-частица из 20 000, что падают на золотую фольгу толщиной всего лишь 4·10-5 см, возвращается обратно, в сторону источника.

Резерфорду понадобилось несколько лет, чтобы окончательно понять столь неожиданное рассеяния α-частиц на большие углы. Он пришел к выводу, что положительный заряд атома сосредоточен в очень малом объеме в центре атома, а не распределен по всему атоме, как в модели Томсона.

3. Планетарная модель атома

Резерфорд сумел определить размер атомного ядра. И оказалось, что атомное ядро в десятки тысяч раз меньше собственно атом: размер ядра - порядка 10-14-10-15 м, в то время как размер атома - около 10-10 метров.

Основываясь на своих опытах и расчетах, Резерфорд предложил планетарную модель атома:

· атомы любого элемента состоят из положительно заряженной части, получившей название ядра;

· в состав ядра входят положительно заряженные элементарные частицы - протоны (позже было установлено, что и нейтральные нейтроны);

· вокруг ядра вращаются электроны, образующие так называемую электронную оболочку.

Подобие атома до Солнечной системы усиливалось тем, что закон Кулона, что «управляет» движением электронов, совпадает по форме с законом всемирного тяготения, что «управляет» движением планет: и в том, и в другом случае сила обратно пропорциональна квадрату расстояния.

4. Недостатки планетарной модели атома

Несмотря на всю убедительность планетарной модели возникал целый ряд непреодолимых трудностей во время объяснения строения атома. Согласно классической теории, система, состоящая из массивного положительно заряженного ядра и легких, отрицательно заряженных электронов, может быть устойчивой только в том случае, когда электроны находятся в движении. Таким образом, атом должен быть подобен миниатюрной Солнечной системе, в которой роль Солнца играет ядро, а планет - электрон.

Аналогия была бы полной (ведь электрические и гравитационные силы зависят от расстояния как 1/r2), если бы не одно предсказания классической теории, согласно которому электрические заряды, ускоренно движутся, должны излучать энергию в виде электромагнитных волн. Поэтому электроны, двигаясь по «планетарных» орбитах, должны были бы во время излучения терять энергию движения и в результате быстро приближаться к ядру. Расчеты показывали, что электрон в атоме Водорода имеет излучать всю свою энергию за малую долю секунды. Однако в атоме этого не происходит.

С другой стороны, если бы электроны двигались вокруг ядра подобно планетам вокруг Солнца, то каждый атом был бы единственным в своем роде, потому что, согласно классической механике, каждый электрон мог бы двигаться по каждой из бесконечного количества орбит. И поэтому должна была бы наблюдаться бесконечное разнообразие атомов одного и того же химического элемента.

Таким образом, в «атомных масштабах» противоречит опыту не только классическая электродинамика, но и классическая механика - основа основ всей классической физики.

5. Квантовые постулаты Бора

Датский физик Нильс Бор дополнил планетарную модель атома положениями, которые должны были устранить недостатки этой модели.

Размышляя над проблемой устойчивости планетарного атома, Бор убедился, что «это вопросы просто невозможно решить с помощью уже известных правил». Бор понял, что не все законы классической физики пригодны к явлениям атомных масштабов и что для описания свойств атомов нужна новая - квантовая - теория.

После нескольких месяцев работы Бор в 1913 году опубликовал свою квантовую теорию атома. Основу этой теории составляют постулаты Бора.

1). Атомная система может находиться только в определенных (стационарных или квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Еn. В стационарном состоянии атом не излучает.

2). Во время перехода атома из одного стационарного состояния в другое происходит испускание или поглощение кванта электромагнитной энергии. Энергия кванта равна разности энергий стационарных состояний:

Из второго постулата Бора следует, что атом может излучать и поглощать свет только с определенными значениями частот, которые определяются формулой Это так называемое «правило частот».

Если электрон перескакивает на другую орбиту, на которой его энергия меньше, то куда девается избыток энергии? Ведь исчезнуть, превратиться в ничто энергия не может. «Ищите ее вне атомом!» - заявляет Бор. Она выделяется из атома в виде кванта. Того самого кванта световой энергии, что был введен Планком, а электрон, что випроменив, движется по орбите, теперь уже другой, и снова не излучает.

Атом может не только излучать, но и поглощать фотоны: во время поглощения фотона электрон в атоме переходит со стационарной орбиты с меньшей энергией на орбиту с большей энергией. Когда электроны в атоме находятся на стационарных орбитах с наименьшей возможной энергией, говорят, что атом находится в основном состоянии. Все другие состояния атома называются возбужденными.

6. Последствия постулатов Бора

Постулаты Бора показали, что источником света является возбужденный атом. Свет генерируется при переходе атома из одного возбужденного состояния в другое. Частота генерируемого света пропорциональна ΔЕ, свет излучается и поглощается в виде квантов.

Сходство атомов одного и того же химического элемента объясняется в теории Бора тем, что во всех атомах данного элемента стационарные орбиты электронов те же.

Наибольший успех теория Бора имела применительно атома Водорода, для которого оказалось возможным построить количественную теорию. Однако уже для следующего по сложности атома - атома Гелия - добиться количественной согласованности с опытом не удалось, не говоря уже о более сложные атомы.

Дальнейшее развитие физики доказал, что трудности теории Бора были связаны с ее внутренней противоречивостью, потому что в ней сочетались законы классической физики и противоречащие им постулаты Бора.

7. Спектральный анализ

Явление дисперсии используют в науке и технике для определения состава вещества, т.е. проведение спектрального анализа. В основе этого метода лежит изучение света, излучаемого или поглощаемого веществом.

Спектральным анализом называют метод изучения химического состава вещества, основанный на исследовании его спектров.

Для получения и исследования спектров используют спектральные аппараты. Наиболее простые спектральные приборы - призма и дифракционная решетка. Более точные - спектроскоп и спектрограф.

Дифракционная решетка

Спектроскопом называется прибор, с помощью которого визуально исследуется спектральный состав света, которое выпускает определенный источник.

Если регистрация спектра происходит на фотопластинке, то прибор называется спектрографом.

Накалён твердые и жидкие тела и газы (из-за большого давления) излучают свет, разложение которого дает сплошной спектр, в котором спектральные цвета непрерывно переходят один в один.

Сплошные спектры одинаковы для разных веществ, и поэтому их нельзя использовать для определения состава вещества.

Возбужденные атомы разреженных газов или паров излучают свет, разложение которого дает линейчатый спектр, состоящий из отдельных цветных линий. Каждый химический элемент имеет характерный для него линейчатый спектр. Атомы таких веществ не взаимодействуют друг с другом и излучают свет только определенных длин волн.

Изолированные атомы определенного химического элемента излучают строго определенные длины волн. Это позволяет за спектральными линиями судить о химическом составе источника света.

Излучения изолированных атомов определенного химического элемента имеет строго определенные длины волн.

Положение спектральных линий линейчатого спектра не зависит от того, какова причина свечения газа:

· нагрев;

· пропускание электрического тока и др.

Рассмотрены спектры называют спектрами излучения. Но существуют еще спектры поглощения. Чтобы их наблюдать, необходимо пропустить свет с непрерывным спектром через холодный атомарный газ. Наличие темных линий в спектре свидетельствует, что соответствующие световые волны газ поглощает.

Атомы поглощают излучение только тех длин волн, которые они могут выпускать по данной температуры.

Во время спектрального анализа спектральные линии сравнивают со спектральными линиями определенного химического элемента. Если соответствующие длины волн совпадают, это свидетельствует о наличии данного химического элемента в исследуемом объекте. По интенсивности спектральных линий можно определить количество данного химического элемента.

Преимущество спектрального анализа - скорость, высокая чувствительность (можно обнаружить примеси массой 10-10 г), возможность провести анализ объекта на большом расстоянии от него.

С помощью спектральных методов были открыты новые химические элементы (гелий, рубидий, цезий и др.), осуществлен химический анализ Солнца и далеких звезд. Спектральный анализ применяют в металлургии, машиностроении, криминалистике, для контроля состава полупроводниковых материалов.

8. Атомные спектры и теория Бора

Нильс Бор

Постулаты Бора объясняют происхождение линейчатых спектров и их закономерности. Физики до появления теории Бора ломали голову, пытаясь расшифровать сложные спектры. Когда же Бор доказал, что «спектр - это биография атомов, точнее атомных электронов», ученым стало легче. Комбинируя различные орбиты электронов в атоме, можно вычислить все наблюдаемые линии в спектре.

Сочетая положения классической физики со своими постулатами, Нильс Бор сумел вычислить энергетические уровни электрона в атоме водорода и, используя соотношение частоты излучения света атомом Водорода, то есть найти вид линейчатого спектра излучения.

Исчисленный Бором спектр атома Водорода совпал с ранее измеряемым спектром, причем не только в области видимого света, но и в области ультрафиолетового и инфракрасного излучения.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Почему отрицательно заряженные частицы атома не имеют заметного влияния на рассеяние α-частиц?

2. Почему а-частицы не могли бы рассеиваться на большие углы, если положительный заряд атома был распределен по всему его объему?

3. Какие частицы входят в состав ядра?

4. Чем отличаются друг от друга атомы различных химических элементов?

5. Почему планетарная модель атома не согласуется с законами классической физики?

6. При каком условии атом не излучает энергию?

7. В каком состоянии энергия электрона меньше: в основном или возбужденном?

8. Какой спектр излучает раскаленный кусок железа? расплавленное железо? пары железа?

Второй уровень

1. На основании экспериментальных данных Резерфорд сформулировал планетарную модель атома?

2. Почему планетарная модель атома не согласуется с законами классической физики?

3. Что является главной характеристикой определенного химического элемента?

4. В чем заключается противоречие между постулатами Бора и законами классической физики?

5. Что определяется по линиям поглощения в солнечном спектре: состав атмосферы Солнца или же состав его глубинных слоев?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Во что превращается атом Натрия, если из его ядра «забрать» один протон, не изменяя количества электронов?

2. Сколько протонов, нейтронов и электронов в положительном ионе Лития?

3. Чем определяют частоту излучения атома по теории Бора?

4. Какими способами можно перевести атом в возбужденное состояние?

2). Учимся решать задачи

1. В ядре атома Углерода содержится 12 частиц. Вокруг ядра движутся 6 электронов. Сколько в ядре этого атома протонов и нейтронов?

2. Будет ли меняться количество α-частиц, рассеянных под определенным углом, если в опыте Резерфорда увеличить толщину фольги вдвое?

Схема опыта Резерфорда

3. На рисунке показаны энергетические уровни атома. Стрелками обозначены переходы между уровнями. Во время переходов которых происходит поглощение излучения? За которого перехода выпускается излучения максимальной длины волны? За которого перехода выпускается излучения максимальной частоты?

4. Во время облучения атом Водорода перешел с первого энергетического состояния в третье. Возвращаясь в исходное состояние, он сначала перешел из третьего состояния во второе, а затем из второго в первый. Сравните энергии фотонов, которые поглощает и излучает атом.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Планетарная модель атома:

· атомы любого элемента состоят из положительно заряженной части, получившей название ядра;

· вокруг ядра вращаются электроны, образующие так называемую электронную оболочку.

Квантовые постулаты Бора:

1. Атомная система может находиться только в определенных (стационарных или квантовых) состояниях, каждому из которых соответствует определенная энергия Еn. В стационарном состоянии атом не излучает.

2. Во время перехода атома из одного стационарного состояния в другое происходит испускание или поглощение кванта электромагнитной энергии. Энергия кванта равна разности энергий стационарных состояний:

Излучения изолированных атомов данного химического элемента имеет четко определенные длины волн.

Атомы поглощают излучение только тех длин волн, которые они могут выпускать по данной температуры.

Домашнее задание

Подр.: § 94 – 97.
Упр. 12.№ 1,4.

Раздел 4. Строение атома и квантовая физика.

Тема: Лазеры. Технические устройства, основанные на использовании фотоэффекта.

Цель урока: ознакомить студентов с принципом действия квантовых источников света.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	20 мин.	1. Квантовые постулаты Бора. 2. Спектральный анализ. 3. Атомные спектры и теория Бора
Демонстрации	10 мин.	Видеофрагменты фильма «Квантовые генераторы»
Изучение нового материала	40 мин.	1. Спонтанное и вынужденное излучения. 2. Квантовые генераторы. 3. Трехуровневый лазер. 4. Применение лазеров
Закрепление изученного материала	20 мин.	1. Учимся решать задачи. 2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Спонтанное и вынужденное излучения

В возбужденном состоянии атом может находиться лишь в течение незначительного промежутка времени, после чего самопроизвольно (спонтанно) переходит в основное состояние, излучая при этом квант света. Это излучение происходит при отсутствии внешнего воздействия на атом и обусловлено лишь неустойчивостью его возбужденного состояния.

Если никакого влияния на атом не обнаружено, то время его пребывания в возбужденном состоянии около 10-8 с. Если же атом подвергается внешнему воздействию, то время жизни его возбужденного состояния сокращается и возникает излучение, которое называют вынужденным или индуцированным.

Понятие о вынужденном излучении было введено в 1916 году Альбертом Эйнштейном. Это излучение происходит в результате воздействия на возбужденный атом кванта света, частота которого совпадает с частотой его самопроизвольного излучения. Атом при этом переходит на более низкий энергетический уровень, и до первичного фотона добавляется еще один фотон, который ничем не отличается от первого. Таким образом, излучение, падающее на атом, «удваивается»: до атома «приходит» один фотон, а «идут» два точно таких же (то есть их частоты и направления движения совпадают). Поэтому в активной среде, где много атомов находятся в этом самом возбужденном состоянии, излучаемую фотоны будут, в свою очередь, «заставлять» другие атомы излучать точно такие же фотоны. В результате интенсивность излучения может лавинно-подобно увеличиваться. Усиление падающей волны, обусловленное вынужденным излучением, впервые наблюдал на опыте российский физик В. А. Фабрикант 1939 года.

2. Квантовые генераторы

«Запустить» лавину вынужденного излучения может фотон, спонтанно излученный каким-нибудь атомом этого же среды: этот фотон «заставит» другой атом випроменити такой же фотон, потом два одинаковых фотоны «заставят» еще два атома випроменити еще два таких же фотоны и так далее. В результате (без внешнего излучения) может развиться лавинообразный процесс, что приводит к чрезвычайно интенсивного излучения за счет «запаса энергии» атомов, находящихся в метастабільному состоянии. На этом основано действие квантовых генераторов, которые сегодня широко используют в технике, медицине, быту, средствах связи.

Оптические квантовые генераторы, излучение которых находится в видимой и инфракрасной области спектра, называются лазерами.

По интенсивности излучения лазеры намного превосходят все другие виды источников излучения.

3. Трехуровневый лазер

Во время работы лазера часто используют систему трех энергетических уровней атома, из которых верхний уровень - со временем жизни порядка 10-7 - 10-8 с , средний уровень - метастабильное, с временем жизни около 10-3 с, а нижний уровень соответствует основному состоянию атома.

Далее рекомендуется рассмотреть в качестве примера принцип действия рубинового лазера.

4. Применение лазеров

Лазеры играют значительную роль в современном научно-техническом прогрессе. их излучение имеет уникальные и очень ценные свойства, которые обеспечили им широкое применение в самых разнообразных отраслях науки, техники, медицины и др. Качество лазерной энергии определяется ее высокой концентрацией и возможностью передачи на значительное расстояние. Лазерный луч можно сфокусировать в крошечную крапинку диаметром, сравнимым с длиной световой волны и получить плотность энергии, превышающую уже на сегодняшний день плотность энергии ядерного взрыва. С помощью лазерного излучения уже удалось достичь самых высоких значений температуры, давления, магнитной индукции. Наконец, лазерный луч является самым емким носителем информации и в этой роли - принципиально новым средством ее передачи и обработки.

С помощью лазеров удалось создать трехмерные изображения, которые называются голографическими. Рассматривая голограмму под разными углами, вы можете видеть изображенный на ней предмет разносторонне: например, на голограмме (в отличие от фотографии) можно «заглянуть» за предметы, расположенные на переднем плане.

Принцип действия лазера используют также при создании эталонов времени, то есть наиболее точных часов: погрешность хода таких часов - не более одной секунды за 30000 лет.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Чем отличается излучение лазера от излучения лампы накаливания?

2. Охарактеризуйте основные особенности лазерного излучения.

3. Назовите основные области применения лазеров.

4. Как используют лазеры в различных областях науки, техники и медицины?

Второй уровень

1. Среду называют активным?

2. Что можно сказать про фотоны, которые входят в состав пучка лазерного излучения?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Атомы Хрома в рубиновом лазере образуют как спонтанное, так и вынужденное излучения. Какие характеристики этих излучений совпадают, а какие - нет?

2. Чем отличается метастабильное состояние от стабильного?

3. Какую роль в работе лазера играют метастабильные уровни атомов?

2). Учимся решать задачи

1. Сколько фотонов испускает за полчаса лазер, если мощность его излучения 2 мВт? Длина волны излучения 750 нм.

2. Почему во время использования вынужденного излучения удается получить практически не разбиений световой пучок?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Оптические квантовые генераторы, излучение которых лежит в видимой и инфракрасной области спектра, называются лазерами.

Свойства лазерного излучения:

1) малый угол расхождения пучка света;

2) исключительная монохроматичность;

3) мощные источники света;

4) КПД около 1 %.

Домашнее задание

1. Подр.: § 97

2. Написать реферат по теме: «Квантовая механика».

Раздел 4. Строение атома и квантовая физика.

Тема: Изотопы. Открытие нейтрона. Ядерные реакции.

Цель урока: ознакомить студентов с моделью ядра атома и с историей открытия протона и нейтрона.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	25 мин.	Строение атома. Постулаты Бора. Атомные спектры»
Демонстрации	15 мин.	Видеофрагменты фильма «Открытие нейтрона»
Изучение нового материала	35 мин.	1. Открытие протона. 2. Открытие нейтрона. 3. Протонно-нейтронная модель ядра. 4. Нуклоны. 5. Ядерные реакции. 6. Энергетический выход ядерных реакций
Закрепление изученного материала	15 мин.	1. Учимся решать задачи. 2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Открытие протона

Сложно сказать, какое событие следует считать открытием протона: ведь как ион Водорода он был известен уже давно. В открытии протона сыграли роль и создания Е. Резерфордом планетарной модели атома (1911 год), и открытие изотопов (Ф. Содди, Дж. Томсон, Ф. Астон, 1906-1919 p.), и наблюдения ядер Водорода, выбитых альфа-частицами ядер Азота (Е. Резерфорд, 1919 год).

в 1925 году П. Блекетт получил в камере Вильсона первые фотографии следов протона, одновременно подтвердив открытие искусственного превращения элементов.

Замеры показали, что протон имеет положительный заряд, равный по модулю заряду электрона, а масса протона примерно в 1800 раз больше массы электрона. Протоны встречаются в земных условиях в свободном состоянии как ядра атома Водорода.

2. Открытие нейтрона

в 1930 году два немецких физики Боте и Беккер сообщили, что им удалось зафиксировать новый странный вид ядерного излучения, что мало невероятную проникающую способность. Возникало оно в результате бомбардировки атомов Бериллия альфа-частицами. Через два года за этой публикацией появилось новое открытие, сделанное Фредериком и Ирен Жолио-Кюри. Супруги использовало новое излучения для бомбардировки парафина, восковидной вещества, состоящего из водорода и углерода. Оказалось, что при этом из парафина вылетают протоны.

Английский физик Д. Чедвик сразу выдвинул идею, что новое излучение состоит из неизвестных частиц. Чтобы определить их размер, он обстреливал ими мишень из бора и за увеличением массы ядер вычислил, что частицы имеют массу, близкую к массе протона. Кроме того, выяснилось, что они не оставляют следов в камере Вильсона. Чедвик решил, что это обусловлено тем, что частицы не имеют заряда (нейтральные частицы не вызывают ионизации и соответственно не приводят к конденсации пересыщенного пара).

О возможности существования подобных частиц уже говорилось ранее, и даже была предложена новая название - нейтроны, которую и использовал Чедвик. За открытие нейтронов он получил Нобелевскую премию по физике за 1935 год.

Нейтроны в свободном виде в земных условиях практически не встречаются из-за их неустойчивости. Нейтрон довольно быстро самопроизвольно распадается: среднее время жизни нейтрона около 15,3 минуты.

3. Протонно-нейтронная модель ядра

в 1932 году Д. Д. Иваненко опубликовал заметку, в которой высказал предположение, что нейтрон вместе с протоном структурным элементом ядра. Однако протонно-нейтронную модель ядра большинство физиков восприняла скептически. Даже Резерфорд считал, что нейтрон - это лишь сложное образование протона и электрона.

Гипотезу протон-нейтронного состава ядер высказал вскоре после открытия нейтрона Чедвик, окончательно же ее подтвердили уже в начале становления современной ядерной физики. Как сейчас понятно, протон-нейтронная модель оказалась одним из необходимых отправных пунктов всего развития ядерной физики наряду с другими фундаментальными открытиями.

Ядро атома любого химического элемента состоит из двух видов элементарных частиц - протонов и нейтронов.

Число протонов в ядре равно атомному номеру элемента Z в периодической системе элементов и называется зарядовым числом.

Число нейтронов в ядре обозначают N.

Сумму числа протонов Z и числа нейтронов N в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А:

A = Z + N.

Как единицу массы в атомной и ядерной физике используют атомную единицу массы (а. е. м.).

Атомная единица массы равна 1/12 массы атома Карбона атомной массой 12:1 а. е. м. = 1,66057·10-27 кг.

Если под X имеем в виду символ химического элемента, то ядро любого химического элемента в общем виде обозначается так:AZX. Например, для Железа: 5626Fe, для Азота: 147N, для Урана: 23592N и др. Протон и нейтрон обозначают, соответственно, как 11г и 10n.

Поскольку массовое число А представляет собой общее число протонов и нейтронов в ядре, то число нейтронов в ядре можно найти следующим образом:

N = A - Z.

4. Нуклоны

Сотрудник Резерфорда Фредерик Содди обнаружили, что существуют ядра с тем же электрическим зарядом, но разной массой (их назвали изотопами).

Изотопы представляют собой ядра с тем же значением Z, но разными массовыми числами А, то есть с разным числом нейтронов N.

Например, водород имеет три изотопа: 11Н - протий (в ядре только один протон), 21Н - дейтерий (в ядре - протон и нейтрон),31Н - тритий (в ядре - протон и два нейтроны).

В современной физике принимают, что протон и нейтрон - это два так называемых зарядовых состояния одной и той же частицы - нуклона (от латинского nucleus - ядро).

Протон - нуклон в заряженном состоянии, нейтрон - в нейтральном. Используя этот термин, можно утверждать, что атомные ядра состоят из нуклонов.

5. Ядерные реакции

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году во время опытов по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы Азота α-частицами. После столкновения частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по такой схеме:

Изменения атомных ядер при взаимодействии их друг с другом или другими частицами называются ядерными реакциями.

Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена в 1932 году с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе:

Однако наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие в результате взаимодействия ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их преобразования. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения обусловливают не только быстрые, но и медленные нейтроны, движущихся с тепловыми скоростями.

Чтобы могла произойти ядерная реакция, необходимо, чтобы ядро и частица (или два ядра) сблизились на очень малое расстояние - такое, чтобы между ними начали действовать ядерные силы, которые характеризуются малым радиусом действия.

Если обе начальные частицы положительно заряжены, то в случае их сближения между ними возникают большие электростатические силы отталкивания, для преодоления которых необходима значительная начальная энергия частиц.

Открытие нейтрона в корне изменило представление об условиях протекания ядерных реакций. Оказалось, что для этого не обязательно нужны частицы с большими кинетическими энергиями. Поскольку нейтрон не имеет электрический заряд, он не отталкивается от ядра и беспрепятственно проникает в него, вызывая ядерную реакцию.

6. Энергетический выход ядерных реакций

Ядерные реакции могут происходить как с поглощением энергии, так и с выделением энергии. Тип реакции легко определить по массам ядер или частиц, вступающих в реакцию и являются продуктами этой реакции. Если суммарная масса ядер и частиц уменьшается после реакции на Δm, то энергия покоя уменьшается на ΔЕ = Δmс2. Согласно закону сохранения энергии именно, такая энергия должна выделиться в результате ядерной реакции. В таком случае говорят о энергетический выход ΔЕ ядерной реакции.

Если суммарная масса ядер и частиц увеличивается после реакции на Δm, то энергия покоя увеличивается на ΔЕ = Δmс2, то есть соответствующая энергия при такой реакции поглощается. Если не учитывать энергию γ-квантов, то кинетическая энергия продуктов реакции должна быть на ΔЕ меньше кинетической энергии ядер и частиц, вступивших в реакцию.

Энергетический выход реакции можно определить и по разности суммарной энергии связи ядер, образующихся и исходных ядер.

Энергия ядерной реакции:

где ΣМi - сумма масс частиц, вступающих в ядерную реакцию; ΣМk - сумма масс частиц, образующихся в а. е. м.

Если Q > 0 - реакция называется экзоэнергетичною, поэтому что происходит с выделением энергии.

Если Q < 0 - реакция называется эндоэнергетичною и для его возбуждения необходимо затратить энергию (например, ускорить частицы, то есть передать им достаточную кинетическую энергию).

ВОПРОС К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Во сколько раз примерно размер атома больше размера атомного ядра?

2. Существуют ли атомные ядра с зарядом меньшим, чем у протона?

3. В ядре любого атома нет нейтронов?

4. Какие основные свойства нейтрона? Почему эту частичку трудно было открыть?

5. Какие законы сохранения выполняются во время ядерных реакций?

6. Почему нейтроны оказываются наиболее удобными участками для бомбардировки атомных ядер?

7. В чем главное отличие ядерных реакций на нейтронах от ядерных реакций, обусловленных заряженными частицами?

8. При каких условиях ядерные реакции происходят с выделением энергии?

9. При каких условиях ядерные реакции происходят с поглощением энергии?

Второй уровень

1. Предположения (относительно состава ядер) позволяли сделать результаты опытов по взаимодействию α-частиц с ядром атомов разных элементов?

2. Почему пришлось отказаться от предположения о том, что ядра атомов состоят только из протонов?

3. Для которого атома массовое число равно зарядовому?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Чем отличаются по составу ядра изотопов Бериллия 74Ве и 94Ве?

2. Определите с помощью таблицы Д. Ы. Менделеева, атом какого химического элемента имеет: а) 3 протона в ядре; б) 9 электронов.

3. Используя Периодическую систему химических элементов Д. Ы. Менделеева, определите количество протонов, нейтронов и электронов в атомах Азота, Фосфора и Кадмия.

2). Учимся решать задачи

1. В ядре атома химического элемента 22 протоны и 26 нейтронов. Назовите этот элемент.

2. В ядре атомов серебра 108 частиц. Вокруг ядра вращается 47 электронов. Сколько в ядре этого атома нейтронов и протонов?

3. На рисунках схематично показаны некоторые ядра. Какие из них относятся ізотопам того же химического элемента? Назовите соответствующие изотопы.

4. Для чего нужны в ядерных реакциях ускорители?

5. Состоялся спонтанный распад ядра. Выделилась ли поглянулся энергия во время этого распада? Ответ обоснуйте.

Решение

Выделилась. В результате самопроизвольного распада ядро переходит в состояние с меньшей энергией - в более устойчивое состояние.

6. Написать недостающие обозначения в следующих ядерных реакциях:

7. Элемент Курчатовой получили, облучая плутоний 24294Pu ядрами Неона 2210Ne. Запишите реакцию, если известно, что в результате образуются еще четыре нейтроны.

8. Во время обстрела мишени протонами образуется магний-24 и вылетают α-частицы. Запишите уравнение ядерной реакции, что происходит.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Состав атомного ядра: протонно-нейтронная модель.

Ядра с тем же электрическим зарядом, но разной массой называют изотопами.

Протон и нейтрон - это два так называемых зарядовых состояния одной и той же частицы - нуклона.

Число Z протонов в ядре называют зарядовым числом.

Величину А = Z + N, которая равна общему числу нуклонов в ядре называют массовым числом.

Верхний индекс в обозначении ядра AZX соответствует массовому числу, а нижний - зарядовому числу ядра.

Энергетическим выходом ядерной реакции называют разницу энергии покоя частиц до и после реакции:

Если Q > 0 - реакция называется экзоэнергетичною, потому что идет с выделением энергии.

Если Q < 0 - реакция называется эндоэнергетичною и для его возбуждения необходимо затратить энергию.

Домашнее задание

1. Подр.: § 104 – 107. .

2. Упр. 13 № 1.

Раздел 4. Строение атома и квантовая физика.

Тема. Ядерные силы.

Цель урока: ознакомить студентов с новым видом взаимодействия между частицами - ядерными силами.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний	25 мин.	1. Открытие протона и нейтрона. 2. Протонно-нейтронная модель ядра. 3. Изотопы
Демонстрации	15 мин.	Видеофрагменты фильма «Открытие радиоактивности»
Изучение нового материала	35 мин.	1. Особенности взаимодействия частиц внутри ядра. 2. Радиоактивность. 3. Виды радиоактивного излучения. 4. Радиоактивный распад
Закрепление изученного материала	15 мин.	1. Учимся решать задачи. 2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Особенности взаимодействия частиц внутри ядра

Поскольку ядра достаточно устойчивы, то протоны и нейтроны должны удерживаться внутри ядра какими-то силами, причем очень значительными. Что это за силы? Наверное, можно сказать, что это не гравитационные силы, которые слишком слабы. Устойчивость ядра не может быть объяснена также электромагнитными силами по той причине, что между одноименно заряженными протонами действует электрическое отталкивание. А нейтроны лишены электрического заряда.

Получается, между нуклонами в ядре действуют особые силы. Эти силы назвали ядерными.

Ядерные силы примерно в 100 раз превосходят электрические силы. Это самые мощные силы из всех, которыми обладает природа. Поэтому взаимодействия ядерных частиц часто называют сильными взаимодействиями.

Устойчивость ядер, выделение энергии при образовании ядра из нуклонов свидетельствует о том, что ядерные силы вплоть до некоторого расстояния являются силами притяжения. Однако начиная с некоторого расстояния между нуклонами, силы притяжения сменяются силами отталкивания.

Другая важная особенность ядерных сил - их короткодіючий характер. Электромагнитные силы сравнительно медленно убывают согласно расстоянии. Ядерные силы заметно проявляются лишь на расстояниях, равных по величине размерам ядра (10-12 - 10-13 см). Ядерные силы - это, так сказать, «богатырь с очень короткими руками».

В ядерной физике введено особое единицу длины - ферме.

1 фм = 10-15 м.

Нейтрон начинает притягиваться к протона, находясь от него на расстоянии, меньшем по 2 фм. На расстоянии, меньшем 0,4 фм, действуют мощные силы отталкивания между ними. По расстоянию между нуклонами всего 4,2 фм ядерные силы изгоняются малые.

2. Радиоактивность

Весной 1896 г. французский физик А. Беккерель сделал ряд сообщений об обнаружении им нового вида излучения (со временем его назвали радиоактивным), что соли урана испускают. Многочисленные контрольные опыты показали, что причиной засветка была не фосфоресценция, а именно уран, в которой бы химическом соединении он не находился.

Начатый супругами П. и М. Кюри систематический поиск новых радиоактивных веществ и изучение свойств их излучения подтвердили догадку Беккереля о том, что радиоактивность урановых соединений пропорциональна числу атомов Урана, содержащихся в них.

Радиоактивность - способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению.

Химические элементы, которым присуща радиоактивность, называются радиоактивными элементами.

3. Виды радиоактивного излучения

в 1899 году Резерфорд, изучая визуально способность радиоактивного излучения, обнаружил, что оно неоднородно и состоит из двух частей, которые он назвал α - и β-лучами.

Ему удалось доказать, что α-лучи являются потоком ядер атомов Гелия. Того же года А. Беккерель доказал, что β-лучи являются потоком электронов.

в 1900 году французский физик П. Уиллард установил, что в состав радиоактивного излучения входит и третья составляющая, которую он назвал в-лучами. Изучение γ-лучей показало, что они представляют собой электромагнитные волны, длина которых меньше, чем у рентгеновских лучей. Таким образом, было установлено, что радиоактивное излучение состоит из α-, β - и γ-лучей.

1903 г. Е. Резерфорд и его сотрудник Ф. Содди указали на то, что явление радиоактивности сопровождается превращением одного химического элемента в другой, например, радия в радон.

4. Радиоактивный распад

Чем же объясняется радиоактивность? Каково происхождение радиоактивных лучей? И наконец, что же происходит с веществом во время радиоактивного распада?

1902-1903 гг. Эрнест Резерфорд и его сотрудник, английский химик Фредерик Содди предположили, что радиоактивность связана с превращениями атомов радиоактивного вещества в другие атомы. Расчеты показывали, что радиоактивные вещества непрерывно в течение тысячелетий излучают небольшие количества энергии, практически не изменяясь. Так, 1903 г. Пьер Кюри определил, что 1 г радия выделяет за 1 час около 582 Дж энергии.

Откуда же берется энергия, на выделение которой все известные воздействия не имеют никакого влияния? Очевидно, во время радиоактивности вещество претерпевает каких-то глубоких изменений, совершенно отличных от обычных химических превращений. Было сделано предположение, что превращение претерпевают сами атомы.

После того как в 1911 году Резерфорд предложил ядерную модель атома, стало очевидным, что именно ядро претерпевает изменений во время радиоактивных превращений. Действительно, если бы изменения касались только электронной оболочки атома (например, потеря одного или нескольких электронов), то при этом атом превращался бы в ион того же самого химического элемента, а вовсе не в атом другого элемента с другими физическими и химическими свойствами. К тому же α-частиц вообще нет в электронной оболочке.

Таким образом, было выявлено, что в результате атомного превращения образуется вещество совершенно нового вида, которая полностью отличается по своим физическим и химическим свойствам от первичного вещества. Это новое вещество, которое, однако, так же неустойчива и подвергается преобразованию, выпуская в то же время характерно радиоактивное излучение.

Радиоактивность представляет собой самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие, сопровождаемое испусканием различных частиц.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Назовите факты и явления, подтверждающие сложное строение атома.

2. Как стали называть способность атомов некоторых химических элементов к самопроизвольному излучению?

3. Из трех α-, β - и γ-излучений не отклоняет магнитное и электрическое поля?

4. О чем свидетельствует явление радиоактивности?

Второй уровень

1. Что наводит нас на мысль, что в ядре, кроме электрических сил, действуют ядерные силы?

2. Какая часть атома - ядро или электронная оболочка - претерпевает изменений во время радиоактивного распада? Почему вы так считаете?

3. Почему кулоновское отталкивание протонов в легких ядрах не играет существенной роли? Можете ли вы назвать ядра, где это отталкивание вообще отсутствует?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

Качественные вопросы

1). Одинаковые ли ядерные силы, действующие между двумя протонами, между двумя нейтронами, между протоном и нейтроном?

2. Узкий пучок β-излучения в однородном магнитном поле заметно расширяется. О чем это свидетельствует?

3. Есть радиоактивность редким явлением? Приведите факты, подтверждающие ваш ответ.

2). Учимся решать задачи

1. Определите по рисунку направление индукции магнитного поля и сил Лоренца, действующих на α-и β-частицы. Проверьте, выполняется ли правило левой руки.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Силы притяжения, действующие между нуклонами в ядре, называются ядерными.

Свойства ядерных сил: очень большие; коротко действие; зарядово независимые.

Радиоактивность - способность атомов некоторых химических элементов к спонтанному излучению.

Радиоактивное излучение состоит из α-, β - и γ-лучей.

Домашнее задание

1. Подр.: § 98,99.

2. Доклад на тему: «Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц».

Раздел 4. Строение атома и квантовая физика.

Тема. Радиоактивные превращения

Цель урока: раскрыть природу радиоактивных превращений; ознакомить студентов с радиоактивными семействами.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний

30 мин.

1. Ядерные силы.

2. Радиоактивность.

3. Виды радиоактивного излучения

Изучение нового материала

45 мин.

1. α-распад.

2. β-распад.

3. Радиоактивные семейства.

4. Закон радиоактивного распада

Закрепление изученного материала

15 мин.

1. Учимся решать задачи.

2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. α-распад

Альфа-распад - вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание альфа-частицы.

Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер (атомный номер должен быть больше 82, массовое число должно быть больше 200).

Скорость вылета альфа-частицы 14000-20000 км/с. В общем виде формула альфа-распада выглядит так:

Альфа-распад уменьшает массовое число на 4, а зарядовое число на 2, то есть перемещает элемент на две клетки к началу периодической системы. Например,

2. β-распад

Бета-распад - радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающийся вылетанием из ядра электрона или позитрона.

Этот процесс обусловлен самопроизвольным превращением одного из нуклонов ядра в нуклон другого рода, а именно: превращением или нейтрона в протон или протона в нейтрон.

Может возникнуть вопрос: как может вылететь из ядра электрон, если оно состоит из протонов и нейтронов? Дело в том, что один из нейтронов ядра, выпустив электрон, превращается в протон. При этом общее число нуклонов в ядре остается прежним.

Во время β-распада:

Бета-распад не изменяет массовое число, а зарядовое число увеличивает на 1, т.е. смещает элемент на одну клетку ближе к концу периодической системы.

Например,

α-распад и β-распад является последствиями двух законов сохранения, выполняющихся при радиоактивных превращений, - сохранения электрического заряда и массового числа: сумма зарядов (массовых чисел) продуктов распада равна заряду (массовому числу) исходного ядра.

Во время γ-излучения из ядра вылетает фотон не имеет электрического заряда. Число нуклонов при этом не меняется. Следовательно, при γ-излучения зарядовое число ядра не изменяется, то есть ядро остается ядром того же химического элемента с тем же массовым числом.

Необходимо отметить, что при β-распада, кроме электрона, вылетает еще одна частица - электронное антинейтрино 00e,свойства которого мы рассмотрим позднее.

3. Радиоактивные семейства

Ядра, которые возникли в результате радиоактивного распада, в свою очередь, также радиоактивные. Так возникает цепочка радиоактивных превращений, и ядра, связанные с этой цепочкой, образуют радиоактивный ряд, или радиоактивное семейство. Радиоактивные семейства (ряды) - генетически связаны последовательным радиоактивным распадом цепочки (ряда) ядер природного происхождения.

Элементы, которые составляют цепочку преобразований, называют радиоактивным рядом.

Преобразования продолжаются до тех пор, пока не возникает стабильное ядро (это может произойти после 10-15 радиоактивных превращений).

В природе существуют три радиоактивных семейства: семейство Урана 23892U; семейство Тория 23290Th и семейство Актинію23589Ac. Семейство Урана заканчивается Свинцом 20682Гb; Тория - 20882Гb; Актинію - 20782Гb. Измерив количество свинца в урановой руде, можно определить возраст этой руды.

4. Закон радиоактивного распада

Найдем, по какому закону уменьшается со временем число атомов N определенного изотопа вследствие радиоактивного распада - иначе говоря, определим зависимость N(t).

Обозначим число атомов в начальный момент (t = 0) N0, то есть N(0) = N0. Через время t = T, равный периоду полураспада, число атомов будет вдвое меньше от первоначального, поэтому

После окончания каждого последующего промежутка времени Т число атомов уменьшается вдвое, поэтому

и так далее. Через время = Nt останется атомов. Поскольку n = t/T, получаем закон радиоактивного распада:

По этой формуле находят число атомов, не распавшихся в любой момент времени. Период полураспада постоянная величина, которая не может быть изменена такими доступными воздействиями, как охлаждение, нагрев, давление и др. Для урана период полураспада равен 4,5 млрд. лет, для радия - 1590 лет, для радона - 3,825 суток, для рідію-С - 1,5·10-4 с.

Период полураспада (Т) — это время, в течение которого распадается половина начального числа радиоактивных атомов.

Период полураспада — основная величина, определяющая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем меньше времени «живут» ядра, тем быстрее происходит распад. Для разных веществ период полураспада имеет сильно различающиеся значения. Так, период полураспада урана равен 4,5 млрд лет. Именно поэтому активность урана на протяжении нескольких лет заметно не меняется. Период полураспада радия значительно меньше — он равен 1600 лет. Поэтому активность радия значительно больше активности урана. Есть радиоактивные элементы с периодом полураспада в миллионные доли секунды.

Изотопы.

Изото́пы (от др.-греч. ισος — «равный», «одинаковый», и τόπος — «место») — разновидности атомов (и ядер) какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый атомный (порядковый) номер, но при этом разные массовые числа. Название связано с тем, что все изотопы одного атома помещаются в одно и то же место (в одну клетку) таблицы Менделеева. Химические свойства атома зависят от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём), и почти не зависят от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N).

Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов. Обычно изотоп обозначается символом химического элемента, к которому он относится, с добавлением верхнего левого индекса, означающего массовое число (например, ¹²C, ²²²Rn). Можно также написать название элемента с добавлением через дефис массового числа (например, углерод-12, радон-222). Некоторые изотопы имеют традиционные собственные названия(например, дейтерий, актинон).

Различают изотопы устойчивые (стабильные) и радиоактивные ^[1].

Пример изотопов: 16
8O, 17
8O, 18
8O — три стабильных изотопа кислорода.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Какие из известных вам законов сохранения выполняются при радиоактивном распаде?

2. Можно утверждать, что при β-распаде из ядра вылетает электрон? Почему?

3. Почему радиоактивность урана за несколько лет заметно не меняется?

Второй уровень

1. Почему не определяют время полного распада всех ядер?

2. Справедливо ли то, что чем дольше существует атом, тем больше вероятность его распада?

3. Для ядра которого нуклида (с большим или малым периодом полураспада) вероятность распада в течение ближайшего часа больше?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Можно ли во время радиоактивного распада ядра наблюдать:

а) увеличение заряда и массы ядра;

б) увеличение заряда и уменьшение массы;

в) уменьшение заряда и увеличения массы;

г) уменьшение заряда и массы?

2. Или могут повлиять на скорость радиоактивного распада внешние воздействия: нагревание, электрическое или магнитное поля, механические воздействия?

2). Учимся решать задачи

1. Определите, ядро какого химического элемента X образуется в результате такой реакции β-распада:

2. Ядро изотопа 21183Bi получилось из другого ядра после последовательных α - и β-распадов. Что это за ядро?

3. Сколько α - и β-распадов происходит в результате превращения радия-226 в свинец-206?

4. Количество атомов радиоактивного нуклида уменьшилось в 4 раза в течение 50 минут. Определите период полураспада этого нуклида.

5. Период полураспада радиоактивного нуклида равен 1 часу. Сколько процентов начального количества атомов осталось через 10 часов?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Превращение атомных ядер, сопровождающиеся испусканием α-частиц, называются α-распадом:

Превращение атомных ядер, сопровождающиеся испусканием β-частиц, называются β-распадом:

Для каждого вида радиоактивных изотопов существует период полураспада - промежуток времени, за который распадается половина первоначального числа атомов.

Закон радиоактивного распада:

Распад атома не зависит от его возраста, то есть атомы «не стареют».

Домашнее задание

1. Подр.: § 100 – 102.

2. Упр. 13 № 2,4.

Раздел 4. Строение атома и квантовая физика.

Тема. Энергия связи

Цель урока: ввести понятие о прочности атомных ядер; выяснить физический смысл понятия «дефект масс».

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний

25 мин.

1. Что такое ядерной реакции? Приведите два-три примера ядерных реакций.

2. Какие условия протекания ядерных реакций?

Изучение нового материала

40 мин.

1. Что характеризует прочность ядер?

2. Дефект масс.

3. Удельная энергия связи.

4. Реакции синтеза.

5. Реакции деления

Закрепление изученного материала

25 мин.

1. Учимся решать задачи.

2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Что характеризует прочность ядер?

Ядерные силы - самые мощные из всех, которые мы знаем на сегодняшний день. Они не только почти полностью подавляют взаимную антипатию протонов, что на таких малых расстояниях довольно значительная, но и связывают их в исключительно крепкую семью.

Чем же характеризовать прочность ядер? Для этого физики пользуются одним универсальным понятием, пригодным для любых тел, молекул, атомов и ядер, энергией связи.

О прочности того или иного образования судят по тому, насколько легко или сложно разрушить его: чем сложнее его разрушить, тем оно прочнее. Но разрушить ядро - это значит разорвать связи между нуклонами или, другими словами, выполнить работу против сил связи между ними.

Энергию связи определяет величина той работы, которую нужно выполнить для расщепления ядра на составляющие его - нуклоны.

Значение энергии связи ядра очень сложно вычислить теоретически, однако здесь на помощь приходит открытое Эйнштейном соотношение между массой и энергией:

Тело массой m, находящегося в покое, имеет энергию Е = mс2, где с - скорость света.

Если энергия тела изменяется на ΔЕ, то масса этого тела изменяется на

2. Дефект масс

Измерения масс ядер показывают, что масса покоя ядра Мя меньше, чем сумма масс покоя составляющих его нуклонов:

Разница называется дефектом масс. Дефект масс является мерой энергии связи атомного ядра. Если ΔЕсв - энергия связи ядра, что выделяется при его образовании, то соответствующая ей масса характеризует уменьшение суммарной массы всех нуклонов при образовании ядра. Итак:

О том, насколько велика энергия связи, можно судить по такому примеру: образование 4 г гелия сопровождается выделением такой же энергии, что и во время сгорания 1,5-2 вагонов каменного угля.

3. Удельная энергия связи

Чем больше протонов в ядре, т.е. чем больше заряд Ze ядра, тем сильнее кулоновское отталкивание между протонами. Поэтому, чтобы они не разлетались под действием кулоновских сил, для стабилизации ядра требуется большее число нейтронов.

Для характеристики прочности ядер обычно берут энергию связи, приходящуюся на один нуклон.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи.

При малых Z число нейтронов N = Z, а при больших Z (в ядрах тяжелых элементов) даже значительное число нейтронов в ядре (N ≈ 1,6Z) уже не может препятствовать его распаду. Последним стабильным ядром, которое имеет максимальное число протонов, является свинец (Z = 82).

4. Реакции синтеза

Удельная энергия связи была измерена экспериментально практически для всех ядер. Из графика зависимости удельной энергии связи от массового числа ядра следует, что ядро Гелия 42Не является особенно стабильным: оно характеризуется значительно большей удельной энергией связи, чем более легкие ядра изотопов Водорода Дейтерия 21Н и Трития 31Н (они содержат, соответственно, 2 и 3 нейтроны). Отсюда следует, что образование ядер Гелия из ядер изотопов Водорода, например, во время выполнения реакции является энергетически очень выгодным, то есть при этом выделяется большая энергия.

Образование ядра из менее массивных ядер называется реакцией синтеза.

Описана реакция синтеза становится возможным, когда ядра дейтерия и трития сближаются на очень малое расстояние - такое, чтобы между ними начали действовать ядерные силы. Но поскольку ядра заряжены одноименно, между ними действует сила электрического отталкивания. Чтобы преодолеть действие этой силы, ядра, сталкиваются, должны иметь значительную кинетическую энергию, а это означает, что для осуществления реакции синтеза необходима очень высокая температура - десятки миллионов градусов. Поэтому ядерные реакции синтеза часто называют термоядерными.

5. Реакции деления

Из графика зависимости удельной энергии связи видно, что наиболее стабильными являются ядра с массовыми числами от 50 до 60, поскольку для этих ядер энергия связи максимальна. Это ядра железа и близких к нему (массовым числом) ядер.

Расщепления ядра на менее массивные ядра называется реакцией деления.

Следовательно, расщепление (деление) тяжелых ядер, когда продуктами реакции являются ядра элементов середины таблицы Менделеева, является энергетически выгодным: при этом выделяется энергия.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Как охарактеризовать прочность ядер?

2. Как зависит прочность ядер атомов от их энергии связи?

3. Почему ядро Купруму устойчиво, а ядро Урана неустойчивое?

4. Приведите пример реакции синтеза. Приведите пример реакции деления.

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Почему энергия связи атома Водорода 11Н равен нулю?

Решение

Ядро атома Водорода состоит из одного протона.

2. Почему удельная энергия связи в тяжелых ядрах убывает с увеличением массового числа?

2). Учимся решать задачи

1. Определите дефект масс и энергию связи ядра атома 23592U.

Решение

Дефект масс ядра определяем по формуле:

В таблицах масс изотопов приводятся значения масс нейтральных атомов, а не массы ядер. Поэтому эту формулу целесообразно преобразовать так, чтобы вместо массы данного ядра Мn в нее входила масса соответствующего нейтрального атома Ма.

Поскольку M =Ma - Zme, то ΔM = Zmp + Nmn - (Ma - Zme), или ΔM = Z(mp + me) + Nmn - Ma. Но mг + mэ = m11Н. Итак, окончательно получаем ΔM = (Zm11Н + Nmn) - Мa. Из таблицы берем следующие данные: m11Н = 1,00783 а. е. м., mn = 1,00866 а. е. м., Мa = 235,04394 а. е. м. Подставляя в последнюю формулу числовые значения масс в а. е. м., получаем:

ΔM = 92·1,00783 + 143·1,00866 - 235,04394 = 1,9148 (а. е. м.).

Если мы хотим получить энергию связи в джоулях, то дефект масс нужно выразить в килограммах.

Учитывая то, что 1 а. е. м. = 1,66057·10-27 кг, получаем:

Подставляя это значение дефекта масс в формулу ΔЕ0 = Δmс2, получаем:

Выделяется или поглощается энергия при такой ядерной реакции

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Тело массой т, находящееся в состоянии покоя, имеет энергию Е = mс2, где с - скорость света.

Разница ΔM = Zmp + Nmn - Мa называется дефектом масс.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, называется удельной энергией связи.

Образование ядра из менее массивных ядер называется реакцией синтеза.

Расщепление ядра на менее массивные ядра называется реакцией деления.

Домашнее задание

1. Подр.: § 106.

2. Упр. 13 № 3.

Раздел 4. Строение атома и квантовая физика.

Тема. Ядерная энергетика

Цель урока: ознакомить студентов с новым видом ядерной реакции, что позволяет получить большое количество ядерной энергии.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний

4 мин.

1. Энергия связи.

2. Дефект масс.

3. Удельная энергия связи.

4. Реакции синтеза и деления

Изучение нового материала

31 мин.

1. Цепные реакции деления.

2. Управляемая цепная ядерная реакция.

3. Ядерный реактор.

4. Реактор на медленных и быстрых нейтронах.

5. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию

Закрепление изученного материала

10 мин.

1. Учимся решать задачи.

2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Цепные реакции деления

Атомные ядра, содержащие значительное количество нуклонов, неустойчивы и могут распадаться. в 1938 г. немецкие ученые Отто Ган и Франц Штрассман наблюдали деления ядра Урана 23592U под действием медленных нейтронов. Использования нейтронов для деления ядер обусловлено их электронейтральностю. Отсутствие кулоновского отталкивания протонами ядра позволяет нейтронам беспрепятственно проникать в атомное ядро. Временный захват нейтрона нарушает неустойчивую стабильность ядра, обусловленную тонким балансом сил кулоновского отталкивания и ядерного притяжения. Пространственные колебания нуклонов возбужденного ядра (обозначим 23692U* ), являются неустойчивыми. Избыток нейтронов в центре ядра означает избыток протонов на периферии их взаимное отталкивание приводит к искусственной радиоактивности изотопа 23692U*, то есть до его деления на ядра меньшей массы, называемые осколками деления. Причем наиболее вероятным оказывается деление на осколки, массы которых относятся как 2:3. Большинство крупных осколков имеют массовое число А в пределах 135-145, а мелкие - от 90 до 100. В результате реакции деления ядра Урана 23592U образуются два или три нейтроны. Одна из возможных реакций деления ядра Урана происходит по схеме:

Эта реакция протекает с образованием трех нейтронов. Возможна реакция с образованием двух нейтронов:

Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжелого ядра, возбужденного захватом нейтрона, на две примерно равные части, называемые осколками деления.

Поскольку масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении, то через это происходит выделение энергии, эквивалентной уменьшению массы покоя.

Энергия, выделяемая во время деления ядра, имеет электростатическое, а не ядерное происхождение. Значительная кинетическая энергия, которую имеют осколки, возникает вследствие их кулоновского отталкивания. В случае полного деления всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется столько энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти.

Каждый из нейтронов, вылетающий из ядра во время деления, может в свою очередь вызвать деление соседнего ядра, что также выпускает нейтроны, способные вызвать дальнейшее деление. В результате число ядер, которые делятся, очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция.

Реакция, в которой количество ядер, которые делятся, увеличивается со временем или остается постоянной, называется цепной ядерной реакцией.

Суть этой реакции заключается в том, что выпущенные во время деления одного ядра N нейтроны могут предопределять деления N ядер, в результате чего будет выпущено N2 новых нейтронов, которые вызовут деление N2 ядер, и др. Следовательно, число нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии.

В целом процесс имеет лавинообразный характер, происходит достаточно быстро и сопровождается выделением огромного количества энергии.

2. Управляемая цепная ядерная реакция

Скорость цепной реакции деления ядер характеризуют коэффициентом размножения нейтронов.

Коэффициент размножения нейтронов k - отношение числа нейтронов на определенном этапе цепной реакции к их числу в предыдущем этапе.

· Если k> 1, то количество нейтронов увеличивается со временем или остается постоянной, и цепная реакция происходит.

· Если k <1, то число нейтронов уменьшается и цепная реакция невозможна.

· При k = 1 реакция протекает стационарно: количество нейтронов сохраняется неизменной. Это равенство необходимо поддерживать с высокой точностью. Уже при k = 1,01 почти мгновенно произойдет взрыв.

Число нейтронов, образующихся при делении ядер, зависит от объема уранового среды. Чем больше этот объем, тем больше число нейтронов выделяется во время деления ядер. Начиная с некоторого минимального критического объема урана, что имеет определенную критическую массу, реакция деления ядер становится самопидтримувальною.

3. Ядерный реактор

Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферме.

Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления некоторых тяжелых ядер.

Основными элементами ядерного реактора являются:

· ядерное топливо (уран 235, уран 238, плутоний 239);

· замедлитель нейтронов (тяжелая вода, графит и др.);

· теплоноситель для вывода энергии, образующейся во время работы реактора:

ü вода;

ü жидкий натрий и др.;

· регулировочные стержни (бор, кадмий), которые сильно поглощают нейтроны;

·защитная оболочка, что задерживает излучение (бетон с железным наполнителем).

Ядерное топливо размещается в активной зоне в виде вертикальных стержней, названных тепловыделяющими элементами (TBEЛ). Твэлы предназначены для регулирования мощности реактора. Масса каждого топливного стержня значительно меньше критической, поэтому в одном стержни цепная реакция происходить не может. Она начинается после погружения в активную зону всех урановых стержней.

Активная зона окружена слоем вещества, отражающего нейтроны (отражатель), и защитной оболочкой из бетона, что задерживает нейтроны и другие частицы.

Отвод тепла от топливных элементов осуществляет теплоноситель - вода. Она омывает стержень, нагретый до 300 °С за высокого давления, поступает в теплообменники. В теплообменнике вода, нагретая до 300 °С , отдает тепло обычной воде, которая в свою очередь превращается в пар.

Управление реактором осуществляется при помощи стержней, содержащих кадмий или бор. При выдвинутых из активной зоны реактора стержней k>l, а при полностью введенных - k 1. Вводя стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

4. Реактор на медленных и быстрых нейтронах

Наиболее эффективное деление ядер Урана-235 происходит под действием медленных нейтронов. Такие реакторы называются реакторами на медленных нейтронах. Вторичные нейтроны, образующиеся в результате реакции деления, являются быстрыми. Для того чтобы их дальнейшая взаимодействие с ядрами Урана-235 в цепной реакции была наиболее эффективной, их замедляют, вводя в активную зону замедлитель - вещество, что уменьшает кинетическую энергию нейтронов.

Реакторы на быстрых нейтронах не могут работать на природном уране. Реакцию можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не менее 15 % изотопа Урана. Преимущество реакторов на быстрых нейтронах в том, что при их работе образуется значительное количество плутония, который затем можно использовать как ядерное топливо.

5. Преобразование внутренней энергии атомных ядер в электрическую энергию

Ядерный реактор является основным элементом атомной электростанции (АЭС), что превращает тепловую ядерную энергию в электрическую.

Преобразование энергии происходит по такой схеме: внутренняя энергия ядер Урана - кинетическая энергия нейтронов и осколков ядер - внутренняя энергия воды - внутренняя энергия пара кинетическая энергия пара кинетическая энергия ротора турбины и ротора генератора - электрическая энергия.

В зависимости от назначения ядерные реакторы бывают энергетические, конверторы и розмножувачи, исследовательские и многоцелевые, транспортные и промышленные.

Ядерные энергетические реакторы используются для выработки электроэнергии на атомных электростанциях, в судовых энергетических установках, на атомных теплоэлектроцентралях, а также на атомных станциях теплоснабжения.

Реакторы, предназначенные для производства вторичного ядерного топлива из природного урана и тория, называются конверторами или розмножувачами. В реакторе-конверторе вторичного ядерного топлива образуется меньше от первоначально использованного. В реакторе-розмножувачи осуществляется расширенное воспроизводство ядерного топлива, т.е. его получают больше, чем было потрачено.

Исследовательские реакторы используют для исследований процессов взаимодействия нейтронов с веществом, изучения поведения реакторных материалов в интенсивных полях нейтронного и гамма - излучений, радиохимических в биологические исследования, производства изотопов, экспериментального исследования физики ядерных реакторов.

ВОПРОС К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Почему во время реакций деления тяжелых ядер выделяется энергия?

2. Почему нейтроны оказываются наиболее удобными участками для бомбардировки атомных ядер?

3. Зачем в ядерном реакторе используют замедлители нейтронов?

4. Зачем в ядерном реакторе используют поглотители нейтронов?

5. Для чего в атомном реакторе необходимые поглотители нейтронов?

6. Как осуществляют управления ядерной реакцией в реакторах?

7. Какую роль выполняют графит и вода в ядерных реакторах?

Второй уровень

1. В чем главное отличие ядерных реакций на нейтронах от ядерных реакций, обусловленных заряженными частицами?

2. Сгорает кусок бумаги. Есть горение цепной реакцией? химической или ядерной?

3. Какие преимущества атомных электростанций по сравнению с тепловыми?

4. Какие проблемы могут возникнуть в случае использования атомных электростанций?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Почему природный уран не является атомным топливом и его хранения не связано с опасностью взрыва?

Решение

Ядра 23892U, обычно поглощают нейтроны, что является результатом спонтанного деления ядер Урана, при этом цепная реакция не происходит. Столкновения же их с ядрами 23592U происходят очень редко из-за низкого содержание (0,7 %) последнего в урановой руде.

2. Один-единственный нейтрон может вызвать в куске урана цепную реакцию с выделением огромного количества энергии. Как может в этом куске появиться нейтрон? Откуда?

Решение

Нейтрон может появиться за счет спонтанного деления ядра Урана; при этом каждый распределение дает 2-3 свободных нейтронов.

2). Учимся решать задачи

1. В урановом реакторе изотоп Нептуния с массовым числом 239 испускает электроны. Напишите уравнение ядерной реакции.

2. Найдите КПД атомной электростанции мощностью 500 МВт, если ежесуточно она тратит 2,35 кг урана-235. Считайте, что во время каждого деления ядра Урана выделяется энергия 200 Мэв.

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Делением ядра называется ядерная реакция деления тяжелого ядра, возбужденного захватом нейтрона, на две примерно равные части, которые называются осколками деления.

Коэффициент размножения нейтронов k - отношение числа нейтронов на определенном этапе цепной реакции к их числу на предыдущем этапе.

Основные элементы ядерного реактора:

ü ядерное топливо;

ü замедлитель нейтронов;

ü теплоноситель;

ü устройство для регулирования скорости реакции;

ü защитная оболочка, что задерживает излучение.

Домашнее задание

1. Подр.: § 109 – 114.

2. Упр.13 № 1,3,6.

Раздел 4. Строение атома и квантовая физика.

Тема. Элементарные частицы

Цель урока: дать понятие об элементарных частицах и их свойствах.

Тип урока: комбинированный урок.

ПЛАН УРОКА

Контроль знаний

20 мин.

1. Ядерные реакции и энергия связи ядер.

2. Ядерная энергетика

Изучение нового материала

45 мин.

1. Три этапа в развитии физики элементарных частиц.

2. Адроны и фундаментальные частицы.

3. Открытие позитрона.

4. Аннигиляция.

5. Античастицы и антивещество

Закрепление изученного материала

25 мин.

1. Учимся решать задачи.

2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Три этапа в развитии физики элементарных частиц

Этап первый. От электрона до позитрона: 1897-1932 pp. Элементарными мы считаем те частицы, которые с современной точки зрения не состоят из более простых.

Как заметил итальянский физик Энрико Ферми, понятие «элементарный» относится скорее к уровню наших знаний, чем к природе частиц. Согласно тому, как развивалась наука, много элементарных частиц переходили в разряд неэлементарных.

Этап второй. От позитрона до кварков: 1932-1964 гг.

Все элементарные частицы превращаются друг в друга, и эти взаимные превращения - главный факт их существования.

Третий этап. От гипотезы о кварки (1964 г.) до наших дней. Большинство элементарных частиц имеет сложную структуру.

в 1964 году М. Гелл-Манном и Дж. Цвейгом была предложена модель, согласно которой все частицы, участвующие в сильных (ядерных) взаимодействиях, построены из более фундаментальных частиц - кварков.

2. Адроны и фундаментальные частицы

Мир элементарных частиц оказался очень сложным и запутанным. Но разобраться в нем все-таки удалось. И хотя окончательной теории элементарных частиц, которая объясняет все разнообразие их свойств, еще не разработан, много чего уже выяснилось. Поскольку молекулы, атомы и ядра можно подвергнуть расщеплению, они до элементарных частиц не принадлежат. Сказанное, однако, не означает, что элементарные частицы не могут состоять из каких-то других, еще более «мелких» образований. Кроме того, большинство из них имеет самое сложное строение. Но составляющие этих частиц удерживают такие силы, которые разорвать соответствующие связи, учитывая современные представления, принципиально несостоятельны.

Соответственно до этого все элементарные частицы делятся на два больших класса (см. рисунок): адроны (частицы, имеющие сложное строение) и фундаментальные (или истинно элементарные) частицы, которые сегодня относятся к бесструктурных и поэтому претендуют на роль действительно первичных элементов материи.

Отличительной чертой всех адронов является их состав и способность к сильной взаимодействия, чем, собственно говоря, и обусловлено их название (греческое слово «хадрос» означает «большой», «сильный»). Никакие другие частицы в сильном взаимодействии участвовать не могут. Класс адронов самый многочисленный (более 300 частиц). В зависимости от кваркового состава все они делятся на две группы - барионы и мезоны.

Истинно элементарными частицами на сегодня считают переносчиков фундаментальных взаимодействий - лептоны и кварки.

Согласно квантовой теории поля, все имеющиеся в природе фундаментальные взаимодействия (сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное) имеют обменный характер.

Это означает, что как элементарные акты каждой из перечисленных взаимодействий выступают процессы, при которых частицы испускают и поглощают определенные кванты. Эти кванты и называются переносчиками соответствующих взаимодействий. Обмениваясь ими, частицы взаимодействуют друг с другом.

3. Открытие позитрона

Английский физик П. Дирак в 1928 году создал релятивистскую теорию движения электрона. Из этой теории следовало, что электрон может иметь отрицательный и положительный заряд.

в 1932 году американский физик К. Андерсон, фотографируя следы космических частиц в камере Вильсона, обнаружил на одной из фотографий следует, что будто принадлежит электрону, но... с положительным зарядом. Частичку, которая дала странный след, Андерсон назвал позитроном. в 1933 году было открыто явление образования позитрона и электрона при взаимодействии γ-квантов с веществом:

1934 г. было обнаружено, что позитроны выпускают некоторые радиоактивные ядра (это связано с преобразованием ядерного протона в нейтрон):

Например, радиоактивное ядро изотопа Фосфора распадается на ядро Кремния, позитрон и нейтрино:

4. Аннигиляция

П. Дирак предполагал, что при встрече позитрона с электроном должно произойти обратный процесс: превращение этих частиц в два фотона. Вскоре после экспериментального обнаружения позитрона такой обратный процесс было установлено. Это процесс получил название аннигиляции.

Важно обратить внимание студентов на то, что электрон и позитрон, которые имеют массу покоя, превращаются в два фотона, массы покоя не имеют. Из этого следует, что:

На уровне элементарных частиц исчезает различие между веществом и полем.

Аннигиляция является причиной отсутствия на Земле позитронов: позитрон сразу же после своего появления встречается с электроном, и оба они превращаются в два фотона.

5. Античастицы и антивещество

В свое время открытие рождения и аннигиляции электронно-позитронных пар было действительно сенсацией в науке. Впоследствии двойники - античастинки - были найдены во все частицы.

1931 года В. Паулы предусмотрел, а в 1955 году экспериментально зарегистрировали нейтрино n и антинейтрино . Нейтрино появляется в ходе распада 10n. в 1955 году было экспериментально получено антипротон во время столкновения быстрых протонов с ядром Купруму. в 1956 году открыт антинейтрон в реакции

Т.е. столкновение протона и антипротона приводит к появлению нейтрона и антинейтрона.

Античастицы могут отличаться от частиц знаком электрического заряда, направлением магнитного момента или иной характеристикой. Но основная особенность их такова:

Встреча античастицы с частичкой всегда приводит к их взаимной аннигиляции.

Атомы, ядра которых состоят из антинуклонной, а оболочка - из позитронов, образуют антивещество. В 1969 году впервые было получено антигелий.

При аннигиляции антивещества с веществом энергия покоя превращается в кинетическую энергию гамма-квантов, образующихся.

Энергия покоя - самый грандиозный и концентрированный резервуар энергии во Вселенной. И только во время аннигиляции она полностью высвобождается, превращаясь в другие виды энергии. Поэтому антивещество - самое совершенное источник энергии, самое калорийное «топливо». Ли способно будет человечество когда-нибудь это «горючее» использовать, сложно сейчас сказать.

ВОПРОСЫ К СТУДЕНТАМ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

1. Какие частицы называются элементарными?

2. Назовите частицы, которые в настоящее время считаются истинно элементарными.

3. Чем объясняются очень редкие случаи наблюдения позитрона?

4. Которые античастицы вы знаете?

5. Что понимают под антивеществом?

Второй уровень

1. Что такое фундаментальные частицы?

2. Какие виды фундаментальных взаимодействий вы знаете? Какие из них самые сильные? наиболее слабые?

3. Какие основные свойства кварков?

4. Существуют ли кварки в свободном состоянии?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1). Качественные вопросы

1. Почему свободный нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино, а свободный протон не может распасться на нейтрон, позитрон и нейтрино?

Решение

Второй вид распада запрещен законом сохранения энергии. Масса покоя протона, а, следовательно, и энергия покоя меньше массы и энергии покоя нейтрона.

2. Взаимодействие характеризует процессы, происходящие с лептонами? Приведите примеры таких процессов.

3. Может ли один γ-квант в вакууме превратиться в пару электрон-позитрон?

2). Учимся решать задачи

1. При аннигиляции медленно движущихся электрона и позитрона образовались два γ-кванты. Под каким углом друг от друга они разлетелись? Какая частота γ-квантов, возникающих при указанных условиях?

Решение

Можно считать, что сумма импульсов частиц, которые движутся замедленно, равна нулю, поэтому векторная сумма импульсов обоих фотонов также должна равняться нулю. Следовательно, гамма-кванты разлетаются под углом 180°. Частоту γ-кванта находим из закона сохранения энергии:

Отсюда:

2. При аннигиляции медленно движущихся электрона и позитрона образовались два γ-кванты. Под каким углом друг к другу они разлетятся?

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

Элементарными мы считаем те частицы, которые с современной точки зрения не состоят из более простых.

На уровне элементарных частиц исчезает различие между веществом и полем.

Встреча античастицы с частичкой всегда приводит к их взаимной аннигиляции.

Домашнее задание

1. Подр.: § 115, 116.

2. Упр.14 № 5,7,8.

Раздел 4 Строение атома и квантовая физика.

Тема: «Элементарные частицы. Классы элементарных частиц».

Вопросы:

Элементарные частицы
Классы элементарных частиц

1. Элементарной называется частица, которая на современном уровне развития науки не обнаруживает внутреннего строения, а ее размеры недоступны измерению. Фундаментальным свойством всех элементарных частиц является их способность к взаимному превращению. Элементарные частицы принято классифицировать по тому типу взаимодействия, в которое они вступают и по значению их собственного момента импульса (спина).

Элементарные частицы – это первичные, неразложимые далее частицы, из которых построена вся материя. Элементарные частицы не остаются неизменными.

Все элементарные частицы способны превращаться друг в друга, и эти взаимные превращения – главный факт их существования.

Все частицы имеют двойников – античастицы. Например, по отношению к электрону античастицей является позитрон. Частица и античастица имеют одинаковые массы, а их заряды противоположны по знаку. При столкновении частицы с античастицей они исчезают (аннигилируют), превращаясь в другие частицы.

Кварки – фундаментальные частицы, которые были обнаружены внутри протонов и нейтронов при наблюдении рассеяния электронов и нейтрино больших энергий на нуклонах.

Сильное взаимодействие кварков осуществляется при обмене глюонами.

Принцип Паули: в системе одинаковых фермионов любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии.

Фермионы – электрон, протон, нейтрон и электронное нейтрино.

Бозоны – фотон, ππ-мезон и ряд других частиц.

2. По типу характерных для частиц взаимодействий они делятся на четыре класса.

1 Фотоны – кванты электромагнитного поля, участвуют в электромагнитном взаимодействии, но не обладают сильным и слабым.

2 Лептоны – частицы, не обладающие сильным взаимодействием (электрон, позитрон, мюон, нейтрино, антинейтрино и др.). Все лептоны участвуют в слабом взаимодействии, заряженные лептоны участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

3Мезоны – сильно взаимодействующие нестабильные частицы, участвуют также в слабом и электромагнитном взаимодействии (p-мезон, К-мезон и др.)

4 Барионы – частицы, обладающие сильным взаимодействием (протон, нейтрон, все гипероны). Заряженные барионы участвуют также в электромагнитном взаимодействии.

Мезоны и барионы часто объединяют в один класс сильно взаимодействующих частиц, называемых адронами.

По значению собственного момента импульса (спина) элементарные частицы делятся на два класса:

1 Фермионы – частицы с полуцелым спином, описывающиеся антисимметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Ферми–Дирака (электрон, протон, нейтрон и др.).

2 Бозоны – частицы с нулевым или целочисленным спином, описывающиеся симметричными волновыми функциями и подчиняющиеся статистике Бозе–Эйнштейна (p-мезон, фотон).

Все лептоны и барионы являются фермионами, а мезоны и фотон – бозонами. Для фермионов справедлив принцип Паули, согласно которому в системе тождественных фермионов не может быть двух частиц, обладающих одинаковым набором квантовых чисел. Ранее мы сформулировали этот принцип для электронов в атоме и объяснили с его помощью заполнение электронных оболочек атомов (Периодическая система элементов Д.И. Менделеева). Однако принцип Паули имеет более широкую область применения, ему подчиняется поведение любых коллективов тождественных фермионов (атомное ядро, электронный газ в металлах и т.д.). Для коллектива бозонов принципа запрета Паули нет.

Все переносчики взаимодействий являются бозонами, а кварки и лептоны – фермионами. В связи с этим бозоны принято ассоциировать с взаимодействием, а фермионы – с веществом. Суперсимметрия объединяет фермионы и бозоны в рамках одной теории и говорит о возможности превращения бозонов и фермионов друг в друга.

Использование термина “элементарные” становится неоправданным, когда мы говорим о почти 400 частицах и античастицах, открытых к настоящему времени. Развитие работ по классификации частиц все время сопровождалось поисками новых более фундаментальных частиц, из которых построены все адроны (барионы и мезоны). В 1964 г. независимо друг от друга Дж. Цвейг и Гелл-Манн высказали гипотезу о существовании т.н. кварков. Согласно теории Цвейга–Гелл-Манна все известные к тому времени адроны можно было построить, постулировав существование трех типов кварков: u (от англ. “up”, т.е. “вверх”), d (down – вниз) и s (strange – странный или sideways – боковой) и соответствующих им антикварков. Кварки обладают дробным электрическим зарядом, полуцелым спином (т.е. являются фермионами) и рядом других характеристик. Мезоны состоят из пары кварк–антикварк, барионы из трех кварков (например, протон имеет кварковую структуру uud). Кварки существуют только внутри адронов и не наблюдаются как изолированные объекты.

Увеличение числа элементарных частиц привело к необходимости расширения системы кварков. Пришлось постулировать существование еще трех кварков: с (charmed – очарованный), b (bottom – нижний или beauty – прелестный) и t (truth – истинный).

Реальное существование кварков подтверждается рядом экспериментальных фактов. Так, характер рассеяния быстрых электронов протонами свидетельствует о наличии внутри протона трех точечных рассеивающих центров с дробным электрическим зарядом, что полностью соответствует трехкварковой модели протона.

Все попытки наблюдать кварки как изолированные объекты оказались безуспешными, они в принципе не могут существовать в свободном состоянии. Применительно к кваркам даже существует термин конфайнмент (от английского confinement, что означает “тюремное заключение”). Причиной конфайнмента является необычное поведение сил взаимодействия кварков друг с другом. При малых расстояниях эти силы малы, однако с увеличением расстояния силы взаимодействия между кварками очень быстро растут, не позволяя кваркам вылететь из адрона.

В наши дни принята Стандартная модель, по которой всё вещество состоит из 24 частиц-фермионов: 6 лептонов, 6 кварков и 12 античастиц. Частицами-переносчиками взаимодействий являются 8 глюонов, 3 тяжёлых бозона, один фотон. Теоретически предсказано существование бозона Хиггса, отвечающего за массу.

Контрольные вопросы

1 Как развивались представления о строении атома?

2 Сформулируйте постулаты Бора.

3 Каковы основные результаты решения уравнения Шредингера для атома водорода?

4 Какие физические величины, характеризующие состояние электрона в атоме, оказываются дискретными?

5 Какие квантовые числа Вы знаете? Что они характеризуют?

6 Когда атом поглощает или излучает энергию? Запишите закон сохранения энергии для элементарного акта излучения или поглощения.

7 Какие частицы называются в квантовой теории тождественными? В чем заключается принцип неразличимости тождественных частиц?

8 Сформулируйте принцип Паули. Поведение каких систем объясняется этим принципом?

9 Из каких элементарных частиц состоит атомное ядро?

10 Что такое дефект массы и энергия связи ядра? Какие ядра обладают наибольшей энергией связи?

11 Перечислите свойства ядерных сил.

12 Что такое радиоактивность?

13 Запишите закон радиоактивного распада. Каков физический смысл периода полураспада?

14 Приведите примеры α-распада и β-распада.

15 Какова причина возникновения γ-излучения?

16 Сравните радиоактивные излучения по проникающей и ионизирующей силе.

17 Охарактеризуйте основные типы фундаментальных взаимодействий

18 Какие частицы называются элементарными? Как они классифицируются?

19 Что такое кварки?

Раздел 4. Строение атома и квантовая физика

Тема. Решение задач

1. Контрольные вопросы:

a. Написать уравнение волны де Бройля и объяснить его физический смысл; написать основное уравнение соотношения неопределенностей и объяснить его физический смысл.

b. Написать основное уравнение Шредингера и объяснить его физический смысл.

c. Что такое туннельный эффект?

2. Решение задач

1. Сравнить длины волн де Бройля для электрона и бейсбольного мяча массой 0,14 кг, запущенных сильным ударом, которые имеют скорость около 40 м/с.

2. Глаз человека может зафиксировать вспышку желто-зеленого света если энергия света попадающего на сетчатку превышает 10-18 Дж. Какому количеству фотонов соответствует эта энергия?

3. Допустим, что в ящике с линейным размером L = 10-10 м в состоянии n = 2 находится электрон, который может испустить фотон и перейти в состояние с наименьшей энергией. Чему равна длина волны фотона?

4. Кинетическая энергия T электрона в атоме водорода составляет величину 10 эВ. Используя соотношение неопределенностей, оценить минимальные линейные размеры атома.

5. Пусть неточность в определении положения молекулы водорода массой 2·10-27 кг составляет величину порядка диаметра, т.е. 10-10 м. Определить неточность и относительную неточность определении импульса.

6. Определите максимальную кинетическую энергию и модуль максимальной скорости фотоэлектрона, вылетевшего из натрия при облучении его ультрафиолетовым излучением длиной волны нм.

Дано: нм

Найти:
— ?
— ?

Решение

Думаем: по слову «фотоэлектронов» мы определяем, что задача касается явления фотоэффекта. Тогда можем воспользоваться уравнением Эйнштейна для фотоэффекта:

(1)

где Дж/с — постоянная Планка, — работа выхода (для нашей задачи — натрий). Пользуясь табличными данными Дж. Заодно припомним и скорость света м/с. Кроме того, для решения нам необходима масса электрона ( кг).

Кроме того, искомая кинетическая энергия может быть найдена исходя из определения:

(2)

Решаем: для поиска кинетической энергии совместим (2) и (1), и найдём искомое.

(3)

Для поиска скорости воспользуемся (1):

(4)

Подставляя значение свое выражение, находим ответ

Ответ: Дж; м/с.

7. На металлическую пластину падает монохроматический свет длиной волны мкм. Определите работу выхода, если задерживающее напряжение В.

Дано:

мкм
В

Найти:
— ?

Решение

Думаем: работа выхода — параметр наталкивающий нас на явление фотоэффекта. Тогда связь параметров, заданных в дано определяется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта:

(1)

где Дж/с — постоянная Планка. Заодно припомним и скорость света м/с. Кроме того, для решения нам необходима масса электрона ( кг) и модуль заряда электрона ( Кл).

Неизвестный параметр кинетической энергии описывается через задерживающее напряжение. Эта фраза говорит о том, что вылетая из металла, электроны попадают в электрическое поле, направленное таком образом, чтобы тормозить частицы. Параметры этого поля (напряжение) таковы, что электрон затормаживается до остановки. За счёт того, что нам необходимо найти энергию вылетевших электронов, можно воспользоваться логикой теоремы об изменении энергии — единственный способ изменить полную механическую энергию системы — это совершить работу. Соответствующая работа — это работа электрического поля, а изменение энергии численно равно начальной кинетической энергии (т.к. конечная кинетическая энергия равна 0), тогда:

(2)

Решаем: совместим (1) и (2) и выразим искомую работу выхода.

(3)

Считаем: осталось подставить числа.

Дж.

Ответ: Дж.

8. Определите длину волны ультрафиолетового излучения, падающего на поверхность цинка, при которой модуль максимальной скорости вылетевших фотоэлектронов составляет км/с.

Дано:

км/с

Найти:
— ?

Решение

Думаем: по слову «фотоэлектронов» мы определяем, что задача касается явления фотоэффекта. Тогда можем воспользоваться уравнением Эйнштейна для фотоэффекта:

(1)

где Дж/с — постоянная Планка, — работа выхода металла (для нашей задачи — цинк). Пользуясь табличными данными Дж. Заодно припомним и скорость света м/с. Кроме того, для решения нам необходима масса электрона ( кг).

Решаем: исходя из (1) получим

(2)

Считаем: остаётся перевести скорость в единицы СИ ( м/с) и подставить значения.

Ответ: нм.

Контрольная работа по разделу: «Квантовая физика»

Вариант №1.

1. Определить импульс фотона с энергией равной 1,2·10^-18 Дж.

2. Вычислить длину волны красной границы фотоэффекта для серебра.

3. Определите наибольшую скорость электрона, вылетевшего из цезия при освещении его светом длиной волны 3,31 ·10-7 м. Работа выхода равна 2 эВ, масса электрона 9,1 ·10 -31кг?

4. Какую максимальную кинетическую энергию имеют электроны, вырванные из оксида бария, при облучении светом частотой 1 ПГц?

5.Найти работу выхода электрона с поверхности некоторого металла, если при облучении этого материала желтым светом скорость выбитых электронов равна 0,28 ·106 м/с. Длина волны желтого света равна 590 нм.

Вариант №2.

1. Определите красную границу фотоэффекта для калия.

2. Определить энергию фотонов, соответствующих наиболее длинным (λ = 0,75 мкм) и наиболее коротким (λ= 0,4 мкм) волнам видимой части спектра.

3.Какой длины волны надо направить свет на поверхность цезия, чтобы максимальная скорость фотоэлементов была 2 Мм/с?

4.Удлиненный металлический шарик облучают монохроматическим светом длиной волны 4 нм. До какого потенциала зарядится шарик? Работа выхода из цинка равна 4 эВ.

5.Вычислите максимальную скорость электронов, вырванных их металла светом с длиной волны равной 0,18 мкм. Работа выхода равна 7,2 ·10-19 Дж

Раздел 5. Эволюция Вселенной.

Тема. Эффект Доплера. Термоядерный синтез.

Цели урока: познакомить учащихся с термоядерным синтезом; ввести понятия: термоядерные реакции, реакция синтеза легких ядер, термоядерный синтез, управляемый термоядерный синтез. Эффектом Доплера.

Задачи:

Дидактические:

1.Рассмотреть условия, при которых осуществляются термоядерные реакции.

2.Рассмотреть проблемы управляемого термоядерного синтеза.

3.Познакомить учащихся с созданием и устройством водородной бомбы.

4.Сделать выводы о благе (вреде) ядерных реакций синтеза лёгких ядер.

Развивающие:

1.В целях развития мышления учащихся учить их анализировать, сравнивать, разрешать проблемы, поставленные преподавателем на уроке, развивать воображение, фантазию.

2.В целях развития познавательного интереса, радости познания, эмоций учащихся планируются проблемные вопросы, интересные исторические справки, затрагиваются вопросы экологического воспитания, воздействующие на чувства, эмоциональную сферу личности учащегося.

3.Развить усидчивость, трудолюбие, умение преодолевать трудности в учении, аккуратность.

Воспитательные:

1.На материале данного урока показать познаваемость мира и его закономерностей, связь с реальной жизнью.

2.В целях профориентации ознакомить учащихся с успехами нашей страны в осуществлении управляемой термоядерной реакции.

3.Формирование гуманных отношений на уроке, бережного отношения к имуществу колледжа.

Демонстрации: -

Межпредметные связи: биология, математика, химия, астрономия.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, экран, презентация Power Point, анимация из интернета.

ТСО: Электронный репетитор “Символ – Тест”

Раздаточный материал: карточки с заданиями, контрольные листы.

Педагогическая технология: рефлексивно-критическая, коммуникативная.

Тип урока: комбинированный урок. Изучение нового материала, с использованием элементов беседы.

Вид урока: беседа с элементами дискуссии, практикум

Метод: проблемный, поисковый, рефлексия.

Литература для учащихся:

1) Г.Я.Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н Сотский. Физика: учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений. Москва «Просвещение» 2010.

4) Рымкевич А. П. «Сборник задач по физике».10 – е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2006

Информационные ресурсы:

www.booksgid.com (Воокs Gid. Электронная библиотека).
www.globalteka.ru (Глобалтека. Глобальная библиотека научных ресурсов).
http://www.physics.ru Открытый колледж: Физика

Ход урока:

1. Организационный этап (приветствие, определение отсутствующих, проверка готовности учащихся к уроку).

Актуализация прежних знаний:

1. Физический диктант.

А) Чем вызывается деление тяжёлых ядер?

(“Бомбардировкой нейтронов”).

Б) Что образуется при делении тяжёлых ядер?

(“Ядра меньшей массы из середины таблицы Менделеева и 2-3 нейтрона”).

В) Чем сопровождается деление тяжёлых ядер?

(“Выделением энергии”).

Г) В чем причина выделения энергии?

(“Энергия связи ядер-продуктов реакции оказывается больше чем у делящегося ядра).

2. Тестовые задания.

а) Какие частицы излучаются при указанном процессе распада

A. ядро гелия. B. электрон. C. протон и электрон.

б) В результате α - распада новый элемент занял место в таблице Менделеева:

A. на одну клетку правее. B. на одну клетку левее. C. на две клетки левее.

в) Протактиний α – радиоактивен. Определите какой элемент получится в результате этого распада?

A. B. C.

г) В какой элемент превратится после двух β – распадов и одного α – распада?

A. B. C.

Закончили работу и я, прошу, вас обменяться работами, как это мы обычно делаем, берем в руки карандаш и проверяем работу.

3. Объяснение нового материала.

Этап подготовки учащихся к активному и сознательному усвоению нового материала.

1. Термоядерный синтез

Реакция слияния легких ядер при очень высокой температуре, сопровождающаяся выделением энергии, называется термоядерной реакцией.

Для слияния необходимо, чтобы расстояние между ядрами приблизительно было равно 0,000 000 000 001 см. Однако этому препятствуют кулоновские силы. Они могут быть преодолены при наличии у ядер большой кинетической энергии. Особенно большое практическое значение имеет то, что при термоядерной реакции на каждый нуклон выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции, например, при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ, а при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ

“Термоядерный синтез—реакция, в которой при высокой температуре из лёгких ядер синтезируются более тяжёлые”.

Трудности реализации термоядерных реакций: ядра надо сблизить на расстояние, равное радиусу действия ядерных сил r~10-14м, чтобы между ними возникло сильное (ядерное) взаимодействие и началась ядерная реакция. Этому противодействует кулоновское отталкивание ядер, для преодоления которого нужно сообщить ионам большую скорость, что можно сделать, повысив температуру плазмы:

Учитывая, что Максвелловское распределение по скоростям предполагает наличие определённого числа частиц, скорости которых значительно превышает среднюю квадратичную скорость, а также некоторые квантовые свойства микрочастиц (туннельный эффект), удалось показать, что термоядерные реакции начнутся и при более низких температурах, порядка107К.

Далее рассмотрим условия, при которых могут быть реализованы столь высокие температуры:

1.Высокая температура возникает при взрыве урановой или плутониевой бомбы, что может быть использовано для возбуждения термоядерной реакции. Это используется в водородной бомбе, где за счёт взрыва урановой оболочки смесь трития и дейтерия сильно разогревается и сжимается, что порождает взрыв.

2.Управляемая термоядерная реакция может быть создана путём сжатия и термоизоляции дейтериево-тритиевой плазмы стационарным или импульсным магнитным полем. В настоящее время учёными ведутся интенсивные исследования в области управляемых термоядерных реакций.

3.Такие условия существуют в недрах Солнца и звёзд.

Энергетический кризис стал реальной угрозой для человечества. В связи с этим ученые предложили добывать изотоп тяжелого водорода - дейтерий - из морской воды и подвергать реакции ядерного расплава при температурах около 100 миллионов градусов Цельсия. При ядерном расплаве дейтерий, полученный из одного килограмма морской воды будет способен произвести столько же энергии, сколько выделяется при сжигании 300 литров бензина

2. Управляемая термоядерная реакция.

Управляемая термоядерная реакция - энергетически выгодная реакция. Однако она может идти лишь при очень высоких температурах (порядка несколько сотен млн. градусов). При большой плотности вещества такая температура может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. При этом возникает проблема - трудно удержать плазму. Самоподдерживающиеся термоядерные реакции происходят в звездах.

В настоящее время в России и ряде других стран ведутся работы по осуществлению управляемой термоядерной реакции.

ТОКАМАК (тороидальная магнитная камера с током) – это электрофизическое устройство, основное назначение которого – формирование плазмы, что возможно при температурах около 100 млн. градусов, и сохранение её достаточно долгое время в заданном объеме. Возможность получения плазмы при сверхвысоких температурах позволяет осуществить термоядерную реакцию синтеза ядер гелия из исходного сырья, изотопов водорода (дейтерия и трития). В ходе реакции должна выделяться энергия, которая будет существенно больше, чем энергия, затрачиваемая на формирование плазмы.

Основы теории управляемого термоядерного синтеза заложили в 1950 году И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров, предложив удерживать магнитным полем горячую плазму, образовавшуюся в результате реакций.

Эта идея и привела к созданию термоядерных реакторов - токамаков. При большой плотности вещества требуемая высокая температура в сотни млн. градусов может быть достигнута путем создания в плазме мощных электронных разрядов. Проблема: трудно удержать плазму.

Современные установки токамак - не термоядерные реакторы, а исследовательские установки, в которых возможно лишь на некоторое время существование и сохранение плазмы. Наиболее мощный современный ТОКАМАК, служащий только лишь для исследовательских целей, находится в городе Абингдон недалеко от Оксфорда. Высотой в 10 метров, он вырабатывает плазму и сохраняет ей жизнь пока всего лишь около 1 секунды.

3. Эффект Доплера.

Эффект Доплера – важнейшее явление в физике волн. Прежде чем перейти напрямую к сути вопроса, немного вводной теории.

Колебание – в той или иной степени повторяющийся процесс изменения состояния системы около положения равновесия. Волна – это колебание, которое способно удаляться от места своего возникновения, распространяясь в среде. Волны характеризуются амплитудой, длиной и частотой. Звук, который мы слышим – это волна, т.е. механические колебания частиц воздуха, распространяющиеся от источника звука.

Вооружившись сведениями о волнах, перейдем к эффекту Доплера. А если Вы хотите узнать больше о колебаниях, волнах и резонансе — добро пожаловать в отдельную статью нашего блога.

Суть эффекта Доплера

Самый популярный и простой пример, объясняющий суть эффекта Доплера – неподвижный наблюдатель и машина с сиреной. Допустим, Вы стоите на остановке. К Вам по улице движется карета скорой помощи со включенной сиреной. Частота звука, которую Вы будете слышать по мере приближения машины, не одинакова. Сначала звук будет более высокой частоты, когда машина поравняется с остановкой. Вы услышите истинную частоту звука сирены, а по мере удаления частота звука будет понижаться. Это и есть эффект Доплера.

Частота и длина волны излучения, воспринимаемого наблюдателем, изменяется вследствие движения источника излучения.

Если у Кэпа спросят, кто открыл эффект Доплера, он не задумываясь ответит, что это сделал Доплер. И будет прав. Данное явление, теоретически обоснованное в 1842 году австрийским физиком Кристианом Доплером, было впоследствии названо его именем. Сам Доплер вывел свою теорию, наблюдая за кругами на воде и предположив, что наблюдения можно обобщить для всех волн. Экспериментально подтвердить эффект Доплера для звука и света удалось позднее.

Выше мы рассмотрели пример Эффект Доплера для звуковых волн. Однако эффект Доплера справедлив не только для звука. Различают:

Акустический эффект Доплера;

Оптический эффект Доплера;

Эффект Доплера для электромагнитных волн;

Релятивистский эффект Доплера.

кто открыл эффект Доплера Кристиан Доплер (1803-1853)

Именно эксперименты со звуковыми волнами помогли дать первое экспериментальное подтверждение этому эффекту.

Экспериментальное подтверждение эффекта Доплера

Подтверждением правильности рассуждений Кристиана Доплера связано с одним из интересных и необычных физических экспериментов. В 1845 году метеоролог из Голландии Христиан Баллот взял мощный локомотив и оркестр, состоящий из музыкантов с абсолютным слухом. Часть музыкантов – это были трубачи – ехали на открытой площадке поезда и постоянно тянули одну и ту же ноту. Допустим, это была ля второй октавы. Другие музыканты находились на станции и слушали, что играют их коллеги. Абсолютный слух всех участников эксперимента сводил вероятность ошибки к минимуму. Эксперимент длился два дня, все устали, было сожжено много угля, но результаты того стоили. Оказалось, что высота звука действительно зависит от относительной скорости источника или наблюдателя (слушателя).

Эффект Доплера в акустике Первые эксперименты по подтверждению эффекта Доплера

Применение эффекта Доплера

Одно из наиболее широко известных применений – определение скорости движения объектов при помощи датчиков скорости. Радиосигналы, посылаемые радаром, отражаются от машин и возвращаются обратно. При этом, смещение частоты, с которой сигналы возвращаются, имеет непосредственную связь со скоростью машины. Сопоставляя скорость и изменение частоты, можно вычислять скорость.

Вам понравится: Полезные советы для студентов: зачем и как написать шпаргалку чтобы Преподаватель не заметил

Эффект Доплера широко применяется в медицине. На нем основано действие приборов ультразвуковой диагностики. Существует отдельная методика в УЗИ, называемая допплерографией.

Эффект Доплера также используют в оптике, акустике, радиоэлектронике, астрономии, радиолокации.

Открытие эффекта Доплера сыграло важную роль в ходе становления современной физики. Одно из подтверждений теории Большого взрыва основывается на этом эффекте. Как связаны эффект Доплера и Большой взрыв? Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется. При наблюдении удаленных галактик наблюдается красное смещение – сдвиг спектральных линий в красную сторону спектра. Объясняя красное смещение при помощи эффекта Доплера, можно сделать вывод, согласующийся с теорией: галактики удаляются друг от друга, Вселенная расширяется.

эффект Доплера большой взрыв Красное и синее смещение при приближении и отдалении объектов

Формула для эффекта Доплера

Пусть u – скорость приемника относительно среды, v – скорость источника волн относительно среды, с — скорость распространения волн в среде, w0 — частота волн источника. Тогда формула эффекта Доплера в самом общем случае будет выглядеть так:

эффект Доплера вывод формулы

Здесь w – частота, которую будет фиксировать приемник.

Релятивистский эффект Доплера

В отличие от классического эффекта Доплера при распространении электромагнитных волн в вакууме для расчета эффекта Доплера следует применять СТО и учитывать релятивистское замедление времени. Пусть света – с, v – скорость источника относительно приемника, тета – угол между направлением на источник и вектором скорости, связанным с системой отсчета приемника. Тогда формула для релятивистского эффекта Доплера будет иметь вид:

эффект Доплера вывод формулы

Сегодня мы рассказали о важнейшем эффекте нашего мира – эффекте Доплера. Хотите научиться решать задачи на эффект Доплера быстро и легко? Спросите у наших авторов, и они охотно поделятся своим опытом! А в конце — еще немного про теорию Большого взрыва и эффект Доплера.5.Закрепление

Рассмотрим вопросы на стр. 381 (работаем с учебником) не надо воды на конкретный вопрос конкретный ответ.

6.Итог урока

Домашнее задание:

Итак, вы уже знаете, что возможны два способа получения ядерной энергии: осуществление ядерной цепной реакции деления тяжелых ядер или термоядерной реакции синтеза легких ядер.

Необходимо подчеркнуть, что данная тема не ограничивается вопросами, рассмотренными в рамках урока. Термоядерный синтез — процесс, обуславливающий эволюцию Вселенной и перспективная надежда современной энергетики.

Раздел 5.Эволюция Вселенной.

Тема: Солнечная система.

Цель урока: сформировать понятия о планетах, астероидах, метеорах, метеоритах, кометах.

Задачи урока:

дидактические добиться усвоения представления о строении солнечной системы, об общих свойствах планет земной группы и планет – гигантов, о природе тел Солнечной системы; изучить их некоторые характеристики; дать характеристику Луне и системе Луна-Земля объяснить фазы луны; повторить и конкретизировать понятия о затмениях; ввести и объяснить приливные явления.

развивающие: развитие логического мышления путём систематизации фактов, развитие наблюдательности, формирование мировоззрения, развитие познавательной активности, умений делать выводы, применять полученные знания для объяснения явлений.

воспитательные: развитие коммуникационных компетенций, развивать умение говорить и слушать других, содействовать формированию мировоззренческой идеи познаваемости явлений и свойств окружающего мира.

Демонстрации: -

Межпредметные связи: биология, математика, химия, астрономия.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, экран, презентация Power Point, анимация из интернета.

ТСО: Электронный репетитор “Символ – Тест”

Раздаточный материал: карточки с заданиями, контрольные листы.

Педагогическая технология: рефлексивно-критическая, коммуникативная.

Тип урока: комбинированный урок. Изучение нового материала, с использованием элементов беседы.

Вид урока: беседа с элементами дискуссии, практикум

Методы:
а) монологическое изложение;
б) объяснительно-иллюстративный, метод проблемного изложения;
в) репродуктивный, частично - поисковый;

Литература для учащихся:

Г.Я.Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н Сотский. Физика: учебник для 11 класса общеобразовательных учреждений. Москва «Просвещение»

Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика: учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений/ Л.Э. Генденштейн, Ю.И. Дик. - М.: Илекса, 2007. – 320

Гурштейн А.А. Извечные тайны неба/ А.А.Гурштейн. - М.: Просвещение, 1984. – 272 с.

Ильясова Т.В. Компьютерная поддержка урока физики / Т.В. Ильясова // Издательский дом 1 сентября. Физика, 2008. - №№ 17-24.

Левитан Е. П. Астрономия: учеб.для 11 кл. общеобразоват. учреждений/ Е. П. Левитан М.: Просвещение, 2004. – 224 с.

Моше Д. Астрономия: кн. для учащихся. Пер. с англ./ Под ред. А. А. Гурштейна. М.: Просвещение, 1985. – 255 с.

7) Рымкевич А. П. «Сборник задач по физике».10 – е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2006

Информационные ресурсы:

1.www.booksgid.com (Воокs Gid. Электронная библиотека).

2.www.globalteka.ru (Глобалтека. Глобальная библиотека научных ресурсов).

3.http://www.physics.ru Открытый колледж: Физика

Ход урока:

1. Организационный момент.

2. Мотивация. Однажды великого мыслителя Сократа спросили о том, что, по его мнению, легче всего в жизни. Он ответил, что легче всего – поучать других, а труднее – познать самого себя. Легко ли познать себя? Мы это делаем всю нашу жизнь, и порой усилия наши остаются напрасными. А легко ли познать окружающий нас мир, Вселенную???? (Нет!). Какая наука изучает Вселенную? (Астрономия). На уроках астрономии мы говорим о познании Вселенной. Посмотрите на слайд и ответьте на вопросы:

Что может быть общего между такими различными объектами?

Они составляют Солнечную систему

Можно ли сказать, что Солнечная система состоит из однородных тел?

Нет, тела различаются по размерам, массе, форме, химическому составу, траекториям движения.

Как вы думаете, что мы сегодня будем изучать?

Строение Солнечной системы.

Какие цели мы можем перед собой поставить?

Узнать строение Солнечной системы, ее состав и характеристику компонентов.

РАБОТАТЬ МЫ БУДЕМ ПО ПЛАНУ:

По ходу урока я предлагаю вам заполнять таблицу (приложение 1). Это поможет систематизировать полученные знания. Работу с таблицей вы продолжите дома.

3. Объяснение нового материала. Так давайте выясним, из чего состоит Солнечная система.

Солнечная система – это система космических тел, которая кроме центрального светила – Солнца, включает в себя восемь планет, их спутники, множество маленьких планет, кометы, космическую пыль и мелкие метеорные тела. Радиус около двух световых лет.

В средине XVI века польским астрономом Николаем Коперником была раскрыта общая структура строения Солнечной системы. Он опровергнул представление того, что Земля – это центр Вселенной и обосновал движение планет вокруг Солнца. Какое название получила такая модель Солнечной системы? (гелиоцентрическая).

Кто в XVII веке открыл законы движения планет? (Кеплер), а кто сформулировал закон всемирного притяжения? (Ньютон). Но только после того, как Галилей в 1609 году изобрел телескоп, стало возможным изучение физических характеристик космических тел, входящих в состав Солнечной системы.

Так Галилей, наблюдая за солнечными пятнами, впервые открыл вращение Солнца вокруг своей оси.

Для того чтобы изучить движение тел, мы должны сначала определиться с характеристиками, описывающими это движение. Самыми главными орбитальными характеристиками движения космических тел являются сидерический и синодический периоды обращения.

Сидерический период обращения — промежуток времени, в течение которого какое-либо небесное тело-спутник совершает вокруг главного тела полный оборот относительно звёзд.

Синодический период обращения (от греч. соединение) — промежуток времени между двумя последовательными соединениями Луны или какой-нибудь планеты Солнечной системы с Солнцем при наблюдении за ними с Земли.

По современным данным, вокруг Солнца обращаются восемь крупных шарообразных тел, называемых планетами. Наряду с планетами и их спутниками вокруг Солнца обращаются планеты-карлики, тысячи малых планет, называемых астероидами, а также кометы и частички пыли.

Планеты вращаются вокруг Солнца в том же направлении, что и Солнце вокруг своей оси, и удалены от Солнца в следующем порядке:

Меркурий(0,4а.е), Венера, Земля, Марс, пояс астероидов, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун (по современным данным Плутон (40а.е.) относят к планетам-карликам), за орбитой Нептуна находится пояс Койпера, а за поясом Койпера, вероятно, расположено облако Офорта.

Но физическим характеристикам их объединяют в две группы, разграниченные в пространстве поясом астероидов (ширина 3 а.е.).

Планеты земной группы. Планеты, движутся внутри пояса астероидов (Меркурий, Венера, Земля и Марс), принадлежат к земной группе, так как имеют много общего.

Все эти планеты, небольшие по размерам и массе (самая крупная из них — Земля).

Они имеют твердую поверхность, сравнительно высокую среднюю плотность, близкую к плотности Земли (5,5 г/см³), и обладают атмосферами (кроме Меркурия).

Планеты земной группы состоят из тяжелых химических элементов.

Из планет земной группы мы более подробно остановимся на Марсе - одной из самых загадочных и притягательных планет нашей системы.

Марс — четвёртая по удалённости от Солнца и седьмая по размерам планета Солнечной системы; масса планеты составляет 10,7 % массы Земли. Названа в честь Марса — древнеримского бога войны, соответствующего древнегреческому Аресу. Иногда Марс называют «красной планетой» из-за красноватого оттенка поверхности, придаваемого ей оксидом железа

Физические характеристики Марса следующие:

Среднее расстояние от Солнца 228 млн. км.

Средний диаметр 6780 км - 0,5320 земного.

Масса 6,4*10²³ кг, , то есть 0,108 массы Земли.

Средняя плотность 3,95 г/см³-0,714 земной.

Ускорение свободного падения на экваторе 3,76 м/с² - 0,378 g.

Температура на планете колеблется от −153 °C на полюсе зимой и до более +20 °C на экваторе в полдень. Средняя температура составляет −50 °C.

Орбитальные характеристики Марса:

Сидерический период обращения

(продолжительность года) 686,98 земных суток

Синодический период обращения

779,94 земных суток

Орбитальная скорость (v)

24,13 км/с

Период вращения

24,5 ч.

Атмосфера Марса. Давление у поверхности Марса в 160 раз меньше земного. Из-за большого перепада высот на Марсе давление у поверхности сильно изменяется. Примерная толщина атмосферы — 110 км. Атмосфера Марса состоит на 95,32 % из углекислого газа; также в ней содержится незначительное количество других элементов.

Строение Марса: кора, мантия, ядро.

Особенностями поверхностного рельефа Марса можно считать ударные кратеры наподобие лунных, а также вулканы, долины, пустыни и полярные ледниковые шапки наподобие земных.

У Марса есть два естественных спутника — Фобос и Деймос (в переводе с древнегреческого — «страх» и «ужас» — имена двух сыновей Ареса, сопровождавших его в бою), которые относительно малы (Фобос — 27×22×18 км, Деймос — 15×12,2×10,4 км) и имеют неправильную форму.

Начиная с 1960-х годов, непосредственным исследованием Марса с помощью АМС занимались СССР (программы «Марс» и «Фобос»), США (программы «Маринер», «Викинг», «Mars Global Surveyor» и другие) и Европейское космическое агентство (программа «Марс-экспресс»).

Загадки Марса – сообщение ученика.

Планеты-гиганты. Планеты, движущиеся за кольцом астероидов, образуют группу планет-гигантов, возглавляемую Юпитером — самой крупной и массивной планетой Солнечной системы. Его диаметр в 11 раз превышает диаметр Земли и составляет 142 800 км. К этой группе относятся также Сатурн, Уран и Нептун.

Масштабы Солнечной системы.

Общие свойства:

планеты-гиганты обладают значительными размерами, малой средней плотностью, быстрым вращением, протяженными гелиево-водородными атмосферами с небольшим содержанием аммиака и метана и, по-видимому, не имеют твердой поверхности. Планеты-гиганты состоят из легких химических элементов, в основном водорода и гелия. Планеты-гиганты окружены кольцами, состоящими из мелких твердых частиц. Вокруг планет-гигантов обращаются десятки спутников.

Все планеты Солнечной системы очень сильно отличаются друг от друга своими размерами, характеристиками, наличием спутников. Только у Меркурия и Венеры отсутствуют спутники. Крупные спутники (такие, как Луна у Земли или Титан у Сатурна) имеют шарообразную форму, а мелкие (как Фобос и Деймос у Марса) — неправильную форму, свойственную большинству астероидов.

Давайте более подробно остановимся на системе Земля-Луна.

Луна — ближайшее к Земле небесное тело и ее естественный спутник. Луна – это, пожалуй, единственное небесное тело, в отношении которого с древнейших времен ни у кого не было сомнений, что оно движется вокруг Земли.

Во II в. до н.э. Гиппарх определил наклон лунной орбиты к плоскости эклиптики и выявил ряд особенностей движения Луны. Он создал весьма совершенную для своего времени теорию ее движения, а также теорию солнечных и лунных затмений. Как же возникла Луна?

Гипотезы возникновения Луны – сообщение ученика.

Почему ее так назвали? Слово луна восходит к праславянской форме «светлая», к этой же индоевропейской форме восходит и латинское слово lūna «луна». Греки называли спутник Земли Селеной, древние египтяне — Ях (Иях).

Луна — единственный естественный спутник Земли. Второй по яркости объект на земном небосводе после Солнца и пятый по величине естественный спутник планет Солнечной системы. Также является первым и единственным небесным телом, помимо Земли, на котором побывал человек.

История исследования Луны – сообщение ученика.

Орбитальные характеристики Луны. Луна делает один оборот вокруг Земли за 27,3 сут. и с таким же периодом вращается вокруг своей оси, поэтому с Земли видно только одно ее полушарие. Движение Луны вокруг Земли происходит в плоскости эклиптики, а не в плоскости земного экватора (большинство естественных спутников других планет вращаются в плоскости экватора своих планет).

Физические характеристики Луны:

Среднее расстояние между центрами Земли и Луны — 384 467 км(~ 30 диаметров Земли).

Экваториальный радиус - 1738,14 км

Полярный радиус - 1735,97 км

Масса (m)-7,3477×1022 кг ( 0,0123 земных). В 81 раз меньше массы Земли.

Средняя плотность Луны равна 3,34 г. см³ (0.61 средней плотности Земли).

Ускорение свободного падения на поверхности Луны в 6 раз меньше, чем на Земле.

Поверхность Луны нагревается днем до + 110 °С, а ночью остывает до -120° С.

Строение луны: кора, верхняя мантия, нижняя мантия, ядро.

Луна, подобно Земле, представляет собой темный непрозрачный шар, светящий отраженным солнечным светом. Солнце всегда освещает примерно половину этого шара, другая половина остается темной. Поверхность луны довольно темная, то есть она отражает в среднем лишь 7.3 % световых лучей Солнца. Она посылает в полнолуние на Землю в 465 000 раз меньше света, чем Солнце

Видимое перемещение Луны происходит неравномерно, потому что Луна движется в пространстве по эллиптической орбите, в одном из фокусов которой находится центр Земли. Но, так как к Земле обыкновенно бывают обращены и часть светлого видимого полушария, и часть неосвещенного, то Луна большую часть времени кажется нам неполной. Различают четыре основные фазы Луны: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть.

Солнечные и лунные затмения. Периодически Луна частично или полностью заслоняет Солнце — такое явление называется солнечным затмением, оно может произойти во время новолуний. Когда Луна попадает в тень Земли, наступает лунное затмение, которое может наступить во время полнолуний. На протяжении календарного года происходят от 2 до 5 солнечных затмений и от 0 до 3 лунных затмений.

Приливные явления.

Под действием лунного притяжения водная оболочка Земли принимает слегка вытянутую в сторону Луны (и противоположную сторону) форму. Там, где Луна выше всего над горизонтом и где ниже всего под горизонтом, будет прилив. На восходе и заходе Луны будут наблюдаться отливы. Во время приливов уровень воды плавно нарастает, достигая наибольшего значения, а затем постепенно снижается до низшего уровня. Вследствие вращения Земли приливные выступы образуются в каждый следующий момент уже в новых точках земной поверхности. Солнце, как и Луна, также вызывает приливы. Несмотря на большую удаленность от Земли, но благодаря большой массе Солнца приливы, которые оно вызывает всего в 2,5 раза меньше лунных.

Во время полнолуний и новолуний лунные и солнечные приливы складываются и наблюдаются самые большие приливы. Напротив, когда Луна в первой или последней четверти, во время лунного прилива будет солнечный отлив; действие Солнца вычитается из действия Луны, и приливы бывают существенно меньшими.

Продолжим изучение строения Солнечной системы. Перейдем к изучению так называемых малых тел Солнечной системы.

Остановимся на малых планетах. Названия самых крупных малых планет Солнечной системы:

Планета Церера (диаметр 770 км.) - переведена в группу карликовых планет.
Более мелкие планеты:

Юнона, Астрея, Геба, Ирида, Флора, Метида, Гигея, Парфенопа, Виктория, Эгерия, Ирена, Эвномия, Психея, Фетида, Мельпомена, Фортуна, Массалия, Лютеция, Каллиопа, Талия, Фемида, Фокея, Прозерпина, Эвтерпа, Беллона, Амфитрита, Урания и др.

Всего их насчитывается около 100 тыс. Иногда их называют астероидами.

Астероид – малая планета; “звездообразный” объект. В ночь на 1 января 1801 года сицилийский астроном Джузеппе Пиацци случайно обнаружил звёздный объект, координаты которого заметно менялись от ночи к ночи. Так была открыта первая из большого числа малых планет – Церера. Диаметр Цереры – 770 км вскоре были открыты ещё три астероида – Паллада - 490 км, Юнона– 170 км, Веста-380 км.

Сегодня уже известно около 1800 астероидов, орбиты которых хорошо изучены, некоторые из них имеют орбиты, пересекающие орбиту Земли. Размеры большинства других не превышают 5 – 10 км. Пространство между орбитами Марса и Юпитера заполнено огромным количеством обломков: с размерами больше 1 км – 30 000; с диаметром менее 1 км сотни миллионов. Такое количество астероидов между Марсом и Юпитером наводит на мысль о существовании здесь прежде некой планеты, разрушившейся потом. Этот вопрос остаётся открытым.

Все астероиды лишены атмосферы. Выделяют три группы астероидов (тёмные, светлые, металлические) – по своим химическим характеристикам. Астероиды имеют температуру от -120⁰С до -100⁰С. Все астероиды (взятые вместе) составили бы планету диаметром 1500 км. Астероиды могут стать причиной разрушений на поверхности Земли

Кометы. Эти небесные светила получили свое название от греческого слова кометас — хвостатая, или косматая, звезда. Прилетают они в основном из пояса Койпера или облака Оорта. Яркие кометы появляются сравнительно редко, в среднем одна комета за 10—15 лет. Слабые же по блеску кометы появляются часто (на фотографиях звездного неба ежегодно обнаруживают несколько комет).

Под действием притяжения Солнца кометы, как и планеты, обращаются вокруг него по вытянутым эллиптическим орбитам.

Самой известной кометой является комета Галлея, названная так в честь первого исследователя комет, который предсказал появление этой кометы. Она движется по очень вытянутой эллиптической орбите - заходит внутрь орбиты Венеры и удаляется за орбиту Нептуна. Последний раз комета появилась в 1986 г. В момент ее прохождения вблизи Солнца для ее изучения был осуществлен полет четырех космических аппаратов, два из которых — «Вега-1» и «Вега-2».

Фотографирование ядра кометы Галлея советскими космическими станциями с расстояния около 8000 км показало, что оно имеет неправильную форму с размерами 16x18x8 км. В следующий раз ее можно будет увидеть в 2062 году. Кометы и астероиды- остатки древнейшего вещества СС.

Кометы имеют строение - голова, ядро, хвост. Кометы отличаются от всех других тел Солнечной системы: (своим видом; формой орбит; большими размерами; быстрым и бурным развитием). Массы комет оцениваются в 10¹⁵—10¹⁸ кг. Хвост кометы всегда направлен от Солнца. Хвост растёт с огромной скоростью, около 10⁶ км в сутки, пока не достигнет величины 10⁸ км. В конце концов, комета теряет вещество и распадается на части, образуя метеорный рой.

Каждый метеорный рой обращается вокруг Солнца с постоянным периодом, равным периоду обращения породившей его кометы, и многие из них в определенные дни года встречаются с Землей. В эти дни количество метеоров значительно возрастает, а ecли метеорный рой компактный, то наблюдаются метеорные или звездные дожди, когда в одной ограниченной области неба за одну минуту вспыхивают сотни метеоров.

Многие метеорные потоки связаны с кометами. Так, метеорный поток, исходящий из созвездия Ориона (Ориониды), связан с кометой Галлея, а метеорный поток Андромениды — с распавшейся кометой Биэлы.

Метеоры и метеориты. Метеором – называется световое явление, возникающее на высоте от 130 до 80 км при вторжении в земную атмосферу частиц – метеорного тела из межпланетного пространства.

Метеоры (от греческого слова метеорос — парящий в воздухе) — это вспыхивающие в земной атмосфере мельчайшие твердые частицы, которые вторгаются в нее извне с огромной скоростью. Метеоры часто называют падающими звездами. В межпланетном пространстве хаотично движется с различными скоростями множество таких частиц. Массы подавляющего их большинства измеряются десятыми и тысячными долями грамма, в редких случаях — несколькими граммами. Если в атмосферу влетает частица со скоростью свыше 30 км/с, то из-за трения о воздух она быстро раскаляется, вспыхивает и порождает метеор. Чем больше масса и скорость частицы, тем ярче метеорная вспышка. В среднем по всему небу за 1 ч появляются 5—6 ярких метеоров.

Помимо пыли, в межпланетном пространстве движется множество твердых тел размерами от сантиметров до десятков метров. При падении на Землю они получают название метеоритов.

По химическому составу метеориты подразделяют на три группы: каменные, железокаменные и железные. Химические соединения, присутствующие в метеоритах, и их кристаллическая структура показывают, что метеоритное вещество сформировалось в условиях высоких давлений и температур. Возраст метеоритов колеблется обычно в пределах от нескольких сотен миллионов до нескольких миллиардов лет.

На месте падения крупных метеоритов образуются метеоритные кратеры значительных размеров. Такие кратеры обнаружены в Аризоне (США), Канаде, на Таймыре (Россия) и в других местах. У Аризонского метеоритного кратера диаметр 1207 м, глубина 174 м, а высота окружающего его вала составляет от 40 до 50 м.

Самый крупный железный метеорит — Гоба — найден на территории Намибии: он имеет размеры 3x3x1 м, а массу — 60 т.

На других планетах и их спутниках также обнаружены кратеры метеоритного происхождения. Крупные метеориты могут образовать кратеры диаметром в несколько десятков километров.

Из наиболее известных событий на Земле связанных с малыми телами следует выделить – Тунгусский феномен (30 июня 1908 года – тайга Центральной Сибири). Ну, а самым нашумевшим за последнее время – Челябинский метеорит.

Сообщение учащегося о Челябинском метеорите

Болиды – вторжение массивных метеорных тел вызывающее очень яркие вспышки. Метеор аналог болид (скорость вторжения в атмосферу Земли от 11 до 73 км/с; высота возгорания от 130 до 80 км). Болид напоминает летящий по небу огненный шар.

4. Итог урока. И так, астрономия – наука о Вселенной, изучающая движение, строение, происхождение и развитие небесных тел и их систем. Действительно, у природы много тайн и загадок, раскрывает она их неохотно, поэтому каждая очередная разгадка – важный шаг человечества на пути к познанию мира.

5. Первичное закрепление: нарисовать схему Строение Солнечной системы

Если установлена программа для интерактивной доски NOTEBOOK,то в Приложении 1 предлагается выполнить следующие задания.

Расставить объекты Солнечной системы в порядке удаления от Солнца.

Показать планеты земной группы и выбрать их отличительные характеристики.

Показать планеты – гиганты и выбрать их отличительные характеристики.

Расставить планеты солнечной системы в порядке увеличения размеров, и т.д.

6. Домашнее задание. §118,119, продолжить заполнение таблицы для Солнца, использую Интернет, подготовить сообщения о звездах.

На этом наш урок закончен. Спасибо вам за урок. До свидания.

Раздел 5.Эволюция Вселенной.

Тема: Эффект Доплера и обнаружение «разбегания» галактик. Большой взрыв.

Цель урока: повторить материал о нашей Галактике, дать представление о многообразии галактик во Вселенной.

Задачи урока:

Дидактические: познакомить с объектами, открытыми за пределами нашей Галактики, познакомиться с их видами. Сравнить их с нашей Галактикой.

Развивающие: развить интерес к астрономии, как материалистической науке о Вселенной.

Воспитательные: воспитывать гордость, патриотизм, как первооткрывателей в изучении космического пространства.

Демонстрации: -

Межпредметные связи: биология, математика, химия, астрономия.

Оборудование: мультимедийный проектор, компьютер, экран, презентация Power Point, анимация из интернета.

ТСО: Электронный репетитор “Символ – Тест”

Учебно-наглядные пособия: плакаты, стенды «Основные физические величины», «Периодическая система элементов Д.И. Менделеева», Солнечная система, учебники, журналы и т.д.

Раздаточный материал: карточки с заданиями, контрольные листы.

Педагогическая технология: рефлексивно-критическая, коммуникативная.

Тип урока: комбинированный урок. Изучение нового материала, с использованием элементов беседы.

Вид урока: беседа с элементами дискуссии, практикум

Литература для учащихся:

Гурштейн А.А. Извечные тайны неба/ А.А.Гурштейн. - М.: Просвещение, 1984. – 272 с.

Левитан Е. П. Астрономия: учеб.для 11 кл. общеобразоват. учреждений/ Е. П. Левитан М.: Просвещение, 2004. – 224 с.

Моше Д. Астрономия: кн. для учащихся. Пер. с англ./ Под ред. А. А. Гурштейна. М.: Просвещение, 1985. – 255 с.

7) Рымкевич А. П. «Сборник задач по физике».10 – е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2006

Информационные ресурсы:

1.www.booksgid.com (Воокs Gid. Электронная библиотека).

2.www.globalteka.ru (Глобалтека. Глобальная библиотека научных ресурсов).

3.http://www.physics.ru Открытый колледж: Физика

Ход урока.

I. Организационный момент. Приветствие.

II. Мотивация учебной деятельности.

Знания строения и эволюции Вселенной помогают осознать место каждого из нас в этом мире и ту ответственность, которая лежит на нас за сохранность жизни и нашей уникальной планеты для будущих поколений людей.

III. Актуализация знаний.

Фронтальный опрос:

1. Какая называется ближайшая к планете Земля звезда? (Солнце)

2. Сколько планет в Солнечной системе? (Восемь)

3. Как называются планеты Солнечной системы? (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун)

4. Какое место по удалённости от Солнца занимает планета Земля в Солнечной системе? (Планета Земля – третья планета от Солнца)

5. Подняв глаза в осеннюю безлунную ночь, мы увидим необычное красивое зрелище. Что мы увидим? И что вы можете сказать о нём?

IV. Изложение нового материала.

1. Галактика.

Мы начали с вами разговор о Галактике, о нашей Галактике. А что входит в нашу Галактику? (Звёзды и звёздные скопления, туманности, космические лучи, магнитные и гравитационные поля)

Что вы можете сказать о строении Галактики? И что и ней происходит?

Галактики – это большие звездные системы, в которых звезды связаны друг с другом силами гравитации. Существуют галактики, включающие триллионы звезд. Наша Галактика – Млечный Путь – также достаточно велика: ее масса равняется приблизительно двумстам миллиардам масс Солнца. Самые маленькие галактики содержат в миллион раз меньше звезд.

Предполагают, что современные галактики образуются в результате слияния и объединения своеобразных строительных блоков из звезд, газа и пыли. По одной из гипотез галактики образуются слиянием таких блоков из гигантских сверхскоплений, меньших по количеству звезд и размерам, чем обычные галактики, но больших, чем обычные скопления. Космическим телескопом им. Хаббла обнаружены большие концентрации таких галактик на далеких расстояниях. Спектральные наблюдения на десятиметровом телескопе им. Кека на Гавайских островах также позволили доказать, что галактики формируются из более мелких скоплений (блоков). Многообразие форм галактик поражает.

В 1784 году французский астроном Шарль Мессье составил первый каталог из 108 туманных объектов, доступных для наблюдений на инструментах того времени. Только 11 объектов из этого каталога оказались газовыми туманностями, остальные – шаровыми и рассеянными скоплениями и галактиками. И тем не менее только в двадцатых годах XX века американский астроном Эдвин Хаббл, наблюдая за цефеидами в туманности Андромеды, пришел к выводу, что она внегалактический объект, и доказал существование галактик.

Эта классификация отражает не только особенности их видимой формы, но и свойства входящих в них звезд. Эллиптические галактики состоят из очень старых звезд, в неправильных галактиках основной вклад в излучение дают звезды, существенно моложе Солнца, а в спиральных галактиках характер спектра выдает присутствие звезд всех возрастов.

2. Эффект Доплера и обнаружение «разбегания» галактик.

Любая гипотеза о связи пространства и времени не может обойти вопрос о расчетной величине эффекта Доплера. Необходимо отметить, что и специальная теория относительности Эйнштейна предсказывает величину эффекта Доплера, не ссылаясь на то, что эта задача выходит за рамки возможностей этой теории. При постановке других практических задач (объяснения закономерностей изменения периода обращения ИО - спутника планеты Юпитер, или радарных измерений относительной скорости света в космосе, или парадоксов) следует замечание что: “…Если …вдруг что-то разворачивается, тормозится или поворачивает, можно забыть об инерциальных системах, и автор примера вылетает из СТО как пробка из бутылки. …СТО – это вообще сугубо математический аппарат…”

Принципиальная возможность экспериментальной проверки эффекта Доплера при высоких скоростях позволяет оценивать, соответствие гипотез физическим реалиям, поэтому большой интерес вызывают эксперименты по измерению эффекта Доплера. Экспериментальные проверки эффекта Доплера проводились как у нас в стране, так и за рубежом [2],[3].

Эффект Доплера находит широкое применение и в науке, и в быту. Во всем мире он используется в полицейских радарах, позволяющих отлавливать и штрафовать нарушителей правил дорожного движения, превышающих скорость.

Также, применение эффект Доплера нашел в астрофизике. Американский астроном Э. Хаббл, впервые измеряя расстояния до ближайших галактик на новейшем телескопе, одновременно обнаружил в спектре их атомного излучения, так называемое красное доплеровское смещение, из чего им был сделан вывод, что галактики удаляются от нас. Когда же Хаббл обнаружил к тому же, что чем дальше от нас находится галактика, тем сильнее красное смещение (и тем быстрее она от нас улетает). Таким образом, был сделан вывод, что Вселенная расширяется. Это стало первым шагом на пути к теории Большого взрыва.

Мы видим, что эффект Доплера имеет как прикладное значение, так и применяется в таких фундаментальных научных теориях, как специальная теория относительности и теория Большого взрыва.

Эффект Доплера имеет важное значение в астрономии, гидролокации и радиолокации. В астрономии по доплеровскому сдвигу определенной частоты испускаемого света можно судить о скорости движения звезды вдоль линии ее наблюдения. Наиболее удивительный результат дает наблюдение доплеровского сдвига частот света удаленных галактик: так называемое красное смещение свидетельствует о том, что все галактики удаляются от нас со скоростями примерно до половины скорости света, возрастающими с расстоянием. Вопрос о том, расширяется ли Вселенная подобным образом или красное смещение обусловлено чем-то иным, а не «разбеганием» галактик, остается открытым.

3. Большой взрыв

Большого Взрыва Вселенной она не превышает плотности атомного ядра ((1017 кг/м3).

Нам необходимо так же определиться и с другими параметрами, из которых, пожалуй, самым важным, является температура. Вопрос о том, холодной или горячей была материя в ту отдаленную от нас эпоху, долгое время оставался спорным. Приводились доводы в пользу обоих состояний.

Решающее доказательство того, что Вселенная была горячей, удалось получить лишь в середине 1960-х.

В настоящее время большинство космологов считает, что в начале расширения Вселенной материя была не только очень плотной, но и очень горячей. А теория, рассматривающая физические процессы, происходившие на ранних стадиях расширения Вселенной, начиная с первой секунды после «начала», получила название теории «горячей Вселенной».

«Горячая Вселенная»

Согласно этой теории, ранняя Вселенная напоминала гигантский ускоритель «элементарных» частиц. Слово «элементарных» взято в кавычки, так каакнаши представления о составных частях материи быстро изменяются. Если раньше к числу элементарных частиц уверенно от носили нейтроны и протоны, то сейчас эти частицы относят к числу составных, построенных из кварков.

Большой Взрыв:

Началом работы Вселенского ускорителя был Большой Взрыв. Этот термин очень часто применяют сегодня космологи. Наблюдаемый разлет галактик[7] и скопления галактик – следствие Большого взрыва. Однако, Большой Взрыв, который академик Я.Б. Зельдович назвал астрономическим, качественно отличается от каких-либо химических взрывов.

У обоих взрывов есть черты сходства: например, в обоих случаях вещество после взрыва охлаждается при расширении, падает и его плотность.

Но есть и существенные отличия. Главное из них заключается в том, что химический взрыв обусловлен разностью давлений во взрывающемся веществе и давлением в окружающей среде (воздухе). Эта разность давлений создает силу, которая сообщает ускорение частицам заряда взрывчатого вещества.

В астрономическом взрыве подобной разности давлений не существует. В отличие от химического астрономического взрыва не начался из определенного центра (и потом стал распространяться на все большие области пространства), а произошел сразу во всем существовавшем тогда пространстве. Представить себе это очень трудно, тем более, что «все пространство» могло быть в начале взрыва конечным (в случае замкнутого мира) и бесконечным (в случае открытого мира)…

Пока мало что известно, что происходило в первую секунду после начала расширения, и еще меньше о том, что было до начала расширения. Но, к счастью, это незнание не явилось помехой для очень детальной разработки теории «горячей Вселенной» и сценарий, к рассмотрению которого мы сейчас переходим, основан не на умозрительных рассуждениях, а на строгих расчетах.

Итак, в результате Большого взрыва 13-20 млрд. лет назад начал действовать уникальный ускоритель частиц, в ходе работы которого непрерывно и стремительно сменяли друг друга процессы рождения и гибели (аннигиляции) разнообразных частиц. Как мы увидим в следующих главах, эти процессы во многом определили всю последующую эволюцию Вселенной, нынешний облик нашей

Вселенной и создал необходимые предпосылки для возникновения и развития жизни.

Итак, мы выяснили, что Вселенная постоянно расширяется; тот момент с которого Вселенная начала расширятся, принято считать ее началом; тогда началась первая и полная драматизма эра в истории вселенной, ее называют “Большим Взрывом” или английским термином Big Bang. Что же такое – расширение Вселенной на более низком, конкретном уровне? Под расширением Вселенной подразумевается такой процесс, когда-то же самое количество элементарных частиц и фотонов занимают постоянно возрастающий объём. Итак, кратко изложим все те умозаключения о возможных параметрах Вселенной на стадии Большого Взрыва, к которым мы пришли. Средняя плотность Вселенной в результате расширения постепенно понижается. Из этого следует, что в прошлом плотность Вселенной была больше, чем в настоящее время. Можно предположить, что в глубокой древности (примерно десять миллиардов лет назад) плотность Вселенной была очень большой. Кроме того, высокой должна была быть и температура[8], настолько высокой, что плотность излучения превышала плотность вещества. Иначе говоря, энергия всех фотонов, содержащихся в 1 куб. см была больше суммы общей энергии частиц, содержащихся в 1 куб. см. На самом раннем этапе, в первые мгновения “Большого Взрыва” вся материя была сильно раскаленной и густой смесью частиц, античастиц и высокоэнергичных гамма-фотонов. Частицы при столкновении с соответствующими античастицами аннигилировали, но возникающие гамма-фотоны моментально материализовались в частицы и античастицы.

Закон разбегания галактик

Закон Хаббла

История открытия

В 1913-1914 годах американский астроном Весто Слайфер установил, что Туманность Андромеды и ещё более десятка небесных объектов движутся относительно Солнечной системы с огромными скоростями (порядка 1000 км/сек). Это означало, что все они находится за пределами Галактики (ранее многие астрономы полагали, что туманности представляют собой формирующиеся в нашей Галактике планетные системы). Другой важный результат: все исследованные Слайфером туманности, кроме 3, удалялись от Солнечной системы. В 1917-1922 годах Слайфер получил дополнительные данные, подтвердившие, что скорость почти всех внегалактических туманностей направлена прочь от Солнца. Артур Эддингтон на основе обсуждавшийся в те годы космологических моделей Общей теории относительности предположил, что этот факт отражает общий природный закон: Вселенная расширяется, и чем дальше от нас астрономический объект, тем больше его относительная скорость. Вид закона для расширения Вселенной был установлен экспериментально для галактик бельгийским учёным Жоржем Леметром в 1927[2], а позже - знаменитым Э. Хабблом в 1929 с помощью 100-дюймового телескопа, который разрешает ближайшие галактики на звезды. Среди них были цефеиды, используя зависимость «период-светимость» которых, Хаббл измерил расстояние до них, а также красное смещение галактик, позволяющее определить их радиальную скорость. Полученный Хабблом коэффициент пропорциональности составлял около 500 км/с на мегапарсек. Современное значение составляет 73,8 ± 2,4 км/с на мегапарсек. Столь существенную разницу обеспечивают два фактора: отсутствие поправки нуль-пункта зависимости «период-светимость» на поглощение (которое тогда ещё не было открыто) и существенный вклад собственных скоростей в общую скорость для местной группы галактик. Закон Хаббла (закон всеобщего разбегания галактик) - эмпирический закон, связывающий красное смещение галактик и расстояние до них линейным образом: cz=H0Dгалактика взрыв разбегание где z - красное смещение галактики, D - расстояние до неё, H0 - коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Хаббла. При малом значении z выполняется приближённое равенство cz=Vr, где Vr - скорость галактики вдоль луча зрения наблюдателя, c - скорость света.

С помощью этого закона можно рассчитать так называемый Хаббловский возраст Вселенной

tH=1/H0

Этот возраст является характерным временем расширения Вселенной на данный момент и с точностью до множителя 2 соответствует возрасту Вселенной, рассчитываемому по стандартной космологической модели Фридмана. Возможная нелинейность закона наше время наблюдениями, говорящими в пользу существования тёмной энергии, были, по-видимому, обнаружены отклонения от линейного закона Хаббла (как связи наблюдаемого красного смещения с расстоянием). Было обнаружено, что, по-видимому, наша Вселенная расширяется с ускорением. Этот факт не отменяет закона Хаббла, если его понимать, как зависимость от расстояния в данный конкретный момент времени, то есть если учесть, что далёкие объекты мы наблюдаем в прошлом.

V. Первичное закрепление знаний.

Фронтальный опрос

Как называется наука, изучающая строение и эволюцию Вселенной? (Космология)

Какие внесистемные единицы измерения используются в космологии? (Световой год, астрономическая единица, парсек, масса Солнца)

Какое расстояние называют световым годом? (Расстояние, которое проходит свет за один год)

VI. Самостоятельная работа.

Обучающимся предлагается самостоятельно решить задачу: Усреднённая плотность вещества во Вселенной = 3 * 10^-28 кг/м³ . Рассчитайте критическое значение плотности вещества и сравните его с усреднённой плотностью вещества во Вселенной. Проанализируйте полученный результат и сделайте вывод о том, расширяется или сжимается Вселенная.

На заключительном этапе урока можно предложить ученикам выполнить 1-3 задачи.

1. Какая энергия поступает за 1мин. от Солнца в озеро площадью 1 км в ясную погоду, если высота Солнца над горизонтом 30, а атмосфера пропускает 80% излучения?

Решение: Т.к. солнечная постоянная составляет 1,36 кВт/м2 (за пределами атмосферы), то на 1м2 озера за 1 сек поступает энергия, равная

1,36*103 Дж/(с*м2)*0,8*0,5=544 Дж/(с*м2), а на всю его площадь за 1 мин:

544 Дж/(с*м2) 60с*106м2=3,3*1010Дж.

2. Какая мощность излучения в среднем приходится на 1 кг солнечного вещества?

Решение: зная полную мощность излучения Солнца (его светимость L=4 1026 Вт) и его массу (М=2 1030 кг), нетрудно рассчитать, что искомая величина составляет 2 10-4 Вт/кг.

3. Определите площадь солнечного пятна (см рис 68). (Темный круг слева внизу от пятна соответствует размеру Земли в масштабе фотографии).

Решение: для решения задачи необходимо прежде всего, определить диаметры Земли и солнечного пятна в масштабе фото (примерно 1 и 1,8 см соответственно). Затем, зная истинный диаметр Земли (12740 км), легко вычислить диаметр солнечного пятна (в км), а затем и его площадь (в км2).

VII. Рефлексия.

Обучающимся предлагается оценить работу преподавателя и свою собственную работу на уроке путём рисования позитивных или негативных смайликов на выданных преподавателем листочках.

VIII. Домашнее заданиие

Тема урока Вселенная. Большой взрыв. Эволюция вселенной. Расширение Вселенной.

Цели урока: рассмотреть понятие о большом взрыве, создание Вселенной;

формировать познавательный интерес к физике и астрономии, привитие любви и уважения к достижениям науки; развитие любознательность, умение анализировать, самостоятельно формулировать выводы, развитие речи, мышления. Тип урока: изучение нового материала.

Вид урока: комбинированный.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Актуализация знаний учащихся.

Фронтальный опрос III.Изучение нового материала Известные нам законы физики начали действовать с момента t_в= 10^-43 с, когда стали существенными явления гравитации, квантования и релятивизма, характеризуемые соотношением гравитационной постоянной G, постоянной Планка ћ и скоростью света с, когда размеры Вселенной составляли R_в= 10³¹ м при плотности материи r _в=10⁷⁴–10⁹⁴ г/см³ с температурой Т_в= 1,3 × 10³²К.
При расширении пространства температура и плотность среды уменьшались намного быстрее плотности вакуума. Отрицательное давление физического вакуума р = - р× с² породило явление взаимного отталкивания материальных объектов, обратное гравитации. Не имевшие ранее массы частицы материи, стремительно поглощали чудовищную энергию порождавшего их вакуума. Инфляционная Мини-Вселенная была чем-то похожа на раздувающийся воздушный шарик: расстояние между всеми точками поверхности равномерно увеличивалось потому, что между ними возникало, увеличивалось само пространство. Мини-Вселенная не расширялась в каком-то внешнем по отношению к ней пространстве: само пространство возникало, увеличивалось внутри нее, "раздвигало" ее границы. Энергия распада "ложного вакуума" к моменту t_в = 10^-36 с полностью выделилась в форме рождения частиц; инфляционное расширение Мини-Вселенной закончилась.
Сверхраскаленный "пузырь" Мини-Вселенной распался из-за внутренней нестабильности на множество мелких областей - метагалактик. По мере расширения Метагалактики уменьшалась плотность ее материи и энергия излучения, температура среды падала пропорционально расширению пространства. При дальнейшем расширении Метагалактики температура упала ниже 10⁹ К и синтез атомных ядер прекратился, поскольку энергии фотонов и других частиц стало недостаточно для протекания этих реакций. В период времени от 10 до 100 с с момента возникновения метагалактики закончилась аннигиляция ("вымирание") электронно-позитронных пар.
Возникновению и сохранению сгустков содействовало то, что при наличии отдельных уплотнений в разных точках пространства на каждый протон или нейтрон приходилось разное количество переносящих энергию фотонов. С понижением температуры и плотности среды уменьшалась вероятность образования новых "возмущений плотности", а старые сгустки продолжали рассасываться.
Через 10¹² с после Большого Взрыва началась эпоха рекомбинации - разделения вещества и излучения. Свидетель той поры - реликтовое излучение. За миллиарды лет расширения Метагалактики его температура понизилась с 4000 К до 2,725 К.
"Блины" массой до 10¹⁴ М_¤ стали зародышами протогалактических скоплений. В их недрах происходили разнообразные тепловые и гидродинамические процессы, приводившие к распаду ("дроблению") "блинов" на мелкие, отдельные, плотные облака газа массой 10¹⁰-10¹² М_¤, из которых образовались протогалактики, преобразовавшиеся в галактики на протяжении последующего миллиарда лет. Эволюция - изменения, происходящие в течение жизни звезды, включая ее рождение в межзвездной среде, истощение годного к использованию ядерного топлива и конечную стадию угасания. Горение водорода в ядре продолжается до тех пор, пока не истощатся запасы топлива. В течение этой фазы звезда находится на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела. Здесь масштабы времени резко уменьшаются с увеличением массы. Для Солнца время жизни на главной последовательности составляет 10 млрд. лет (около половины которого уже прошло). Когда при исчерпании всего топлива горение водорода в ядре прекращается, в структуре звезды происходят фундаментальные изменения, связанные с потерей источника энергии. Звезда уходит с главной последовательности в область красных гигантов. Рост температуры и плотности в звёздном ядре ведёт к условиям, в которых может (в зависимости от массы) активироваться новый источник термоядерной энергии: выгорание гелия (тройная гелиевая реакция или тройной альфа-процесс), характерный для красных гигантов и сверхгигантов. При температурах порядка 10⁸ K кинетическая энергия ядер гелия становится достаточно высокой для преодоления кулоновского барьера: два ядра гелия (альфа-частицы) могут сливаться с образованием нестабильного изотопа бериллия Be⁸: He⁴ + He⁴ = Be⁸.Большая часть Be⁸ снова распадается на две альфа-частицы, но при столкновении Be⁸ с высокоэнергетической альфа-частицей может образоваться стабильное ядро углерода C¹²: Be⁸ + He⁴= C¹² + 7,3 МэВ.

IV.Закрепление материала

Каков эволюционный путь звезды с массой 1,7 солнечно и показать треки на диаграмме Г-Р.

V. Подведение итогов урока

Домашнее задание §12.2-12.3

Жизнь и разум во вселенной. Освоение космоса.

Цель: Рассмотреть современные достижения в изучении Вселенной и роль астрономии в нашей современной жизни. Проблемы внеземной цивилизации. Наши послания. НЛО и АЯ.Побуждать учащихся к преодолению трудностей в процессе умственной деятельности, воспитать интерес к физике.

Ход урока

I. Организационный момент

II. Повторение изученного

Фронтальный опрос

Изучение нового материала

Современный образованный человек должен знать о проблемах, стоящих перед человечеством и о способах решения этих проблем, о дальнейших перспективах развития общественных отношений, науки и техники, всей цивилизации в целом. По мнению большинства ученых, одним из наиболее перспективных средств и способов сохранения и развития цивилизации Земли является совершенствование астрономических знаний и космонавтики для привлечения ресурсов и возможностей космического пространства для выхода человечества из энергетического и экологического кризиса.

"Цивилизация – это общность разумных существ, использующих обмен информации, энергии, массы для выработки действий и средств, поддерживающих свою жизнь и прогрессивное развитие" (В.С. Троицкий). Или "Цивилизация – высокоустойчивое состояние вещества, способного собирать, абстрактно анализировать и использовать информацию для получения качественно новой информации об окружающем и самой себе, для самосовершенствования возможностей получения новой информации и выработки сохраняющих реакций. Степень развития цивилизации определяется объемом накопленной информации, программой функционирования и производством для реализации этих функций" (Н.С. Кардашов)
    Ноокосмология - комплексная наука, возникшая на стыке основных естественных, общественных и технических групп наук и использующая их знания, познавательные методы и средства для исследования эволюции космических цивилизаций, в число которых входит земное человечество.
    Основными проблемами ноокосмологии являются:
1) возникновение и развитие жизни, разума и космических цивилизаций на Земле и во Вселенной;
2) обнаружение и установление контакта с внеземными цивилизациями;
3) следствия контакта, влияние его на развитие цивилизаций и вопросы взаимосвязи и совместного развития космических цивилизаций (КЦ).
Исследования моделей возможной эволюции КЦ ведет к получению ценной информации о проблемах, встающих перед человечеством в ходе его дальнейшего развития.
   Рост научно-технических, экономических, культурных и политических связей между отдельными народами и государствами, объединение человечества в единую земную цивилизацию, возникновение глобальных проблем, эффективное решение которых невозможно без объединенных усилий всех людей земного шара, возрастание необходимости и значимости краткосрочных и долгосрочных прогнозов обусловили необходимость создания ноокосмологии как науки о ноосфере, основные положения которой были разработаны В. И. Вернадским; в их число входят:
1) глобализм подхода, рассмотрение цивилизации как целостной, органически единой системы;
2) социальный принцип поведения;
3) экологический фактор.
     Научными и научно-техническими предпосылками ее создания являлись успехи в развитии комплекса социологических наук - истории, экономики, социологии и т. д., естественно-математических наук - астрономии, физики, химии, биологии, математики (разработка системного анализа, синергетики, теории катастроф, термодинамики необратимых процессов и т.д.), создание космонавтики и ее растущая роль в решении глобальных проблем, появление реальных возможностей для вступления в контакт с внеземными цивилизациями.
    В середине ХХ века земное человечество стало Космической цивилизацией (КЦ) - общество разумных существ, деятельность которых достигла космических масштабов.
   Целью разумной деятельности КЦ является изучение, освоение и преобразование окружающего мира или самоперестройка, соответствующее своей структуры, характеристик и свойств для сохранения и повышения устойчивости своего существования и дальнейшего развития; приоритетные задачи развития могут неоднократно и значительно изменяться за время жизни КЦ. Большинство современных ученых считает, что в начале своего развития любая КЦ обязательно проходит технологическую стадию.
    Эволюция КЦ носит антиэнтропийный характер и проявляет себя в усложнении и дифференциации внутренней, социальной, технологической и культурной структуры цивилизации. Способом и инструментом познания окружающего мира является наука, а практическим средством его и собственного преобразования - технология при общественном разделении труда, как одного из обязательных условий успешного освоения и использования высоких технологий.
    Разработкой моделей возможного развития космических цивилизаций занимались, начиная с 60-х годов ХХ века, многие ведущие ученые мира и научно-исследовательские организации (Дж. Бернал, А. Д. Урсул, В. В. Казютинский, С. Лем, Л. В. Лесков, И. С. Шкловский, Н. С. Кардашев, С.Ф. Лихачев и другие). Для построения моделей используются: экстраполяционный метод, основанный на изучении и прогнозировании наиболее общих тенденций развития земной цивилизации и системный подход, состоящий в изучении генеральных принципов строения, функционирования и эволюции сложных самоорганизующихся систем.
    Предполагается, что к началу ХХI века скорость нарастания углекислого газа в атмосфере превзойдет его естественную убыль, среднегодовые температуры повысятся на 1,5 ⁰С, усиливая глобальное потепление "нового климатического оптимума" и повышая уровень Мирового океана на 68 м, что вызовет затопление огромных территорий, на которых расположены десятки столиц и крупнейших городов планеты. Увеличивается абсолютная и относительная влажность воздуха, изменяется распределение осадков по районам Земли и временам года. Эти и многие другие формы воздействия цивилизации на все природные оболочки Земли не могут не вызвать тревоги за будущее человечества.
      2000-й год считают, что земное человечество достигло максимального уровня жизненного развития, в дальнейшем ситуация станет ухудшаться.
Общая несбалансированная растущая перенаселенность земного шара с ростом производства и потреблением энергии, в отсутствие безотходных технологий при замкнутом характере развития цивилизации уже к 2020 году приведет к серии усиливающихся ресурсных и экологических катастроф с необратимыми последствиями.
      2050-й год станет переломным. Загрязнение окружающей среды будет максимально возможным и, по модели Форрестера, станет в дальнейшем уменьшаться по причине прогрессирующего снижения уровня производства и к 2200 году с самым низким уровнем жизни человечества ситуация стабилизируется - деградировавшая цивилизация будет неспособна использовать оставшиеся природные ресурсы, выживших людей ждет примитивное существование при очень низком уровне жизни.
   Анализ различных моделей эволюции ноосферы приводит к выводам:
1. Вероятность эволюции вдоль различных фазовых траекторий различна.
2. Продолжительность технологической фазы эволюции КЦ не превышает (в разных моделях) 10³-10⁵лет.
3. Практически отсутствуют цивилизации с экстенсивным характером развития, определяемым неограниченным ростом потребления энергии и материальных ресурсов.
IV. Подведение итогов урока

Домашнее задание

§ 12.4-12.5

Раздел 5.Эволюция Вселенной.

Тема: Образование планетных систем.

Цель: создание условий для осознанного изучения материала о планетах Солнечной системы посредством самостоятельной работы учащихся с различными источниками информации.

Задачи:

Дидактические:

• сформировать представление о физических характеристиках и химическом составе планет Солнечной системы;

• научить выделять общность характеристик планет земной группы и планет-гигантов;

• способствовать применению полученных знаний для решения качественных задач.

Воспитательные:

• содействовать воспитанию у обучающихся уверенности в познаваемости окружающего мира;

• воспитывать умение совместной работы в группе;

• содействовать формированию умения осознавать собственную учебную деятельность, осуществлять самоконтроль, рефлексию.

Развивающие:

содействовать формированию учебно-познавательных компетенций;

создать условия для развития мышления (учить анализировать, выделять главное, строить аналогии, обобщать, приводить примеры);

развивать коммуникативную культуру обучающихся.

Тип урока: комбинированный урок. Изучение нового материала, с использованием элементов беседы.

Вид урока: беседа с элементами дискуссии, практикум

Методы обучения: частично-поисковые.

Формы организации познавательной деятельности: индивидуальная, фронтальная, групповая.

Ожидаемые результаты:

Личностные результаты:

• формирование целостного мировоззрения, соответствующего современному уровню развития науки;

• формирование ответственного отношения к учению, готовности и способности, обучающихся к саморазвитию на основе мотивации к обучению и познанию;

• формирование коммуникативной компетентности в общении и сотрудничестве со сверстниками, взрослыми в процессе образовательной деятельности.

Метапредметные результаты:

• умение самостоятельно формулировать новые учебные и познавательные задачи; планировать пути достижения целей, осознанно выбирать наиболее эффективные способы решения задач;

• умение осуществлять контроль своей деятельности, корректировать свои действия в соответствии с изменяющейся ситуацией;

• смысловое чтение;

• умение создавать, применять и преобразовывать знаки и символы, модели и схемы для решения учебных и познавательных задач;

• умение создавать обобщения, устанавливать аналогии, строить логическое рассуждение и делать выводы;

• умение организовывать учебное сотрудничество: распределять обязанности, находить общее решение и разрешать конфликты; формулировать и аргументировать своё мнение;

• умение осознанно использовать речевые средства для выражения своих мыслей; планирования и регуляции своей деятельности;

• формирование и развитие компетентности в области использования ИКТ.

Предметные результаты:

• освоение знаний о физических характеристиках и химическом составе планет Солнечной системы;

• умение выделять общность характеристик планет земной группы и планет-гигантов;

• умение применять полученные знания для объяснения природных явлений и процессов, наблюдающихся на различных планетах Солнечной системы;

развитие способности к самостоятельному приобретению новых знаний по астрономии в соответствии с интересами.

Список литературы, используемой для разработки занятия:

1. Воронцов-Вельяминов, Б. А. Астрономия. Базовый уровень. 11 кл.: учебник / Б. А. Воронцов-Вельяминов, Е. К. Страут. – 2-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2015. – 237 с.

2. Малахова, Г. И. Дидактический материал по астрономии: Пособие для учителя. / Г. И. Малахова, Е. К. Страут. – М.: Просвещение, 1989. – 96 с.

3. Гусев Е. Б., Сурдин В. Г. Расширяя границы Вселенной: история астрономии в задачах: Учебно-методическое пособие для учителей астрономии и физики и студентов физико-математических факультетов вузов. – М.: МЦНМО, 2003. – 176 с.: ил.

Необходимые предварительные знания и умения:

К моменту изучения темы, обучающиеся знают: о происхождении, строении и составе Солнечной системы; общие характеристики планет Солнечной системы; о физико-химических характеристиках системы Земля Луна.

К моменту изучения темы, обучающиеся умеют: работать в малых группах, самостоятельно обрабатывая информацию из различных источников; объяснять соответствующие явления и процессы с помощью имеющихся знаний о Солнечной системе.

Формы контроля и оценки результатов урока:

Самооценка ответов студентов; взаимооценка учащимися по «Критериям оценки выступления» в форме обсуждения. Оценка выступлений по «Критериям оценки выступления» и письменных ответов на вопросы проводится учителем.

Рефлексия учебной деятельности:

Рефлексия учебной деятельности осуществляется учащимися при самооценке и взаимооценке ответов у доски посредством обсуждений.

Итоговая рефлексия проводится в конце урока. Преподаватель раздает учащимся картинки космонавта, к которому с оборотной стороны приклеен магнит. На доске развешены фотографии планет Солнечной системы. Ученикам необходимо поместить космонавта на ту планету, которая показалась им наиболее интересной (опираясь на выступления одноклассников). При этом, эмоциональное состояние в конце урока можно отразить, нарисовав смайлик на скафандре космонавта.

В завершении занятия преподаватель анализирует ответы учащихся и подводит итог.

Дополнительные задания:

Для учащихся, заинтересовавшихся темой, предлагается дополнительное домашнее задание. Для показанных на уроке во время выступлений слайдов любой презентации (по любой планете) определить: что запечатлено на фотографии; когда, кем и при каких условиях была сделана фотография; какую дополнительную обработку фотографии использовали. Задание выполнить в форме комментариев к слайдам презентации и выслать учителю на электронную почту (или принести на следующий урок).

Ход занятия:

1. Организационный момент

Взаимные приветствия. Учащиеся настраиваются на работу.

2. Актуализация знаний

1. В Солнечной системе 9 планет. (-)

2. Перечислим планеты в порядке увеличения их расстояний до Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Сатурн, Юпитер, Уран, Нептун. (-)

3. По физическим характеристикам планеты Солнечной системы разделяют на две группы. (+)

4. На четыре планеты земной группы приходится четыре спутника. (-)

5. В составе планет-гигантов преобладают водород и гелий. (+)

6. Согласно общепринятой гипотезе, Солнечная система сформировалась в результате эволюции горячего плазменного шара. (-)

7. Литосфера Земли – уникальное явление в Солнечной системе. (-)

8. Плотность земной атмосферы уменьшается с высотой. (+)

9. По своей природе Луна относится к телам планетного типа. (+)

10. Лунная кора значительно тоньше земной. (-)

Преподаватель: Как мы выяснили ранее, в настоящее время в Солнечной системе выделяют 8 планет: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун. Следовательно, исключая Землю, для изучения условий на различных планетах Солнечной системы удобно будет разделиться на 7 групп.

3. Объяснение нового знания

Планета — это небесное тело, вращающееся по орбите вокруг звезды или её остатков, достаточно массивное, чтобы стать округлым под действием собственной гравитации, но недостаточно массивное для начала термоядерной реакции.

Астероид — относительно небольшое небесное тело Солнечной системы, движущееся по орбите вокруг Солнца. Астероиды значительно уступают по массе и размерам планетам, имеют неправильную форму и не имеют атмосферы, хотя при этом и у них могут быть спутники.

Комета (от др.-греч. κομήτης, komḗtēs — волосатый, косматый) — небольшое небесное тело, обращающееся вокруг Солнца по весьма вытянутой орбите в виде конического сечения. При приближении к Солнцу комета образует кому и иногда хвост из газа и пыли.

Наша Галактика содержит около 100 млрд. звезд, а всего галактик, которые в принципе наблюдаемы, примерно 10 млрд. Почему же тогда надо тратить время на выяснение подробностей рождения Солнца? Оно представляет собой посредственную, ничем не примечательную звезду, появившуюся около 4,6 млрд. лет назад (можно даже назвать его возраст средним), Солнце старше. Плеяд, возраст которых несколько десятков миллионов лет, но заведомо моложе красных гигантов, населяющих шаровые скопления (их возраст 14 млрд. лет).

Дело в том, что Солнце до сих пор остается единственной известной науке звездой, на одной из планет которой существует жизнь. Поэтому чрезвычайно интересно исследовать механизм возникновения Солнечной системы. Может оказаться, что планеты образуются, как правило, при рождении какой-нибудь звезды. В этом случае заметно увеличилась бы вероятность обнаружить жизнь еще где-нибудь во Вселенной. Такая возможность представляет большой интерес, причем не только с научной точки зрения.

1.1. Теории прошлого

Первая теория образования Солнечной системы, предложенная в 1644 г. Декартом, имеет заметное сходство с теорией, признанной в настоящее время. По представлениям Декарта, Солнечная система образовалась из первичной туманности, имевшей форму диска и состоявшей из газа и пыли (монистическая теория). В 1745 г. Бюффон предложил дуалистическую теорию; согласно его версии вещество, из которого образованы планеты было отторгнуто от Солнца какой-то слишком близко проходившей планетой или другой звездой.

Наиболее известными монистическими теориями стали теории Лапласа и Канта. Трудности, с которыми встретились в конце 19 в. Монистические теории, способствовали успеху дуалистических, однако развитие истории снова вернуло нас к монистической теории. Такие колебания вполне понятны, поскольку в распоряжении исследователей было очень уж мало данных: распределение расстояний до планет, подчиненное определенному закону (закону Боде), знание того, что планеты движутся вокруг Солнца в одну сторону, да ее некоторые теоретические соображения (на которых мы не будем останавливаться), касающиеся углового момента Солнечной системы.

Если бы Бюффон оказался прав, то появление такой планеты, как наша, было .бы событием чрезвычайно редким, связанным с другим столь же редким событием, как сближение двух звезд, а вероятно найти жизнь где-нибудь во Вселенной стала бы ничтожно малой. Такая вызвала бы разочарование не только у читателей научной фантастики.

1.2. Рождение Солнца

Более многочисленны и надежны экспериментальные данные о Солнечной системе, полученные в послевоенные годы. Методы которыми были исследованы метеориты и поверхность Луны, нельзя было даже представить во времена Лапалса.

Речь идет о веществе, которое образовалось на самой ранней стадии жизни Солнечной системы или даже было частью первичной туманности.

Исследования послевоенных лет привели к некоторому прояснению нашего происхождения. Речь идет о «большом взрыве», в результате которого в далекую эпоху, примерно 15-20 млрд. лет назад, родилась Вселенная. Спустя миллиард лет после «большого взрыва» из смеси водорода и гелия, заполнявших все пространство, началось образование галактик. Первые звезды, образовавшиеся те временя, все еще видны в шаровых скоплениях и в центрах галактик. Вслед за ними образовались спиральные рукава.

Наиболее массивные звезды, сформировавшиеся в самом начале, прошли очень быструю эволюцию, при которой водород превращался в более тяжелые элементы (в том числе углерод и кислород), а вновь образованное вещество выбрасывалось в окружающее пространство. Такие превращения и сейчас происходят в термоядерных реакциях, поставляющих всю энергию, излучаемую звездами.

Этот «пепел» в свою очередь подвергался локальному сжатию, приводящему к рождению новых звезд, и цикл повторялся. Солнце представляет собой звезду второго или третьего поколения. Согласно Клейтону, сжатие, в результате которого образовалось Солнце, было вызвано которая, взрываясь, сообщила движению межзвездному веществу и, как метла, толкала его впереди себя; так происходило до тех пор пока за счет силы тяготения не сформировалось стабильное облако, продолжавшее сжиматься, превращая собственную энергию сжатия в тепло

Вся эта масса начала нагреваться, и за очень короткое время (десяток миллионов лет) температура внутри облака достигла 10—15 млн. градусов. К. этому времени термоядерные реакции шли полным ходом и процесс сжатия закончился. Принято считать, что именно в этот «момент», от четырех до шести миллиардов лет назад, и родилось Солнце.

2. Происхождение планет

Предполагается, что планеты возникли одновременно (или почти одновременно) 4,6 млрд. лет назад из газово-пылевой туманности, имевшей форму диска, в центре которого располагалось молодое Солнце. Образование звезд и планетных систем — это, по-видимому, все-таки единый процесс, происходящий в результате конденсации облака межзвездного газа в силу его гравитационной неустойчивости.

Таким образом, протопланетная туманность образовалась вместе с Солнцем из межзвездного вещества, плотность которого превысила критические пределы. По некоторым данным (присутствие специфических изотопов в метеоритах), такое уплотнение произошло в результате относительно близкого взрыва сверхновой звезды. Взрыв сверхновой мог ускорить и стимулировать процесс конденсации, а также обеспечить содержание в составе газовой туманности тяжелых элементов. Допланетное облако было мало массивным. Если бы его масса превышала 0,15 массы Солнца, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Протопланетное облако было неустойчивым, оно становилось все более плоским, конденсировалось в уплотненный диск, в нем возникали неустойчивости, которые приводили к образованию ряда колец, а газовые кольца превращались в газовые сгустки — протопланеты. Протопланеты сжимались, твердые пылинки сближались, сталкивались, образовывали тела все больших размеров. В относительно короткий срок (10n лет, где, по разным оценкам, n = 5—8) сформировались девять больших планет.

В настоящее время господствует идея холодного, а не горячего, начального состояния Земли и других планет Солнечной системы, которые возникли в результате аккреции частиц и твердых тел газово-пылевого протопланетного облака, окружавшего Солнце. Однако пока не решен вопрос, была ли Земля гомогенна или гетерогенна к концу своего формирования, образовались ли ядро, мантия и кора в результате гетерогенной аккреции или же наша планета создавалась из гомогенного материала, который затем подвергался дифференциации в процессе последующей геологической истории. Большинство исследователей придерживаются модели гетерогенной аккреции. (Хотя вопрос о разделе вещества допланетного облака на железные и силикатные частицы пока окончательно не решен.)

Астероиды, кометы, метеориты являются, вероятно, остатками материала, из которого сформировались планеты. Астероиды сохранились до нашего времени благодаря тому, что подавляющее большинство их движется в широком промежутке между орбитами Марса и Юпитера. Аналогичные каменистые тела, некогда существовавшие во всей зоне планет земной группы, давно либо присоединились к этим планетам, либо разрушились при взаимных столкновениях, либо были выброшены на пределы этой зоны вследствие гравитационного воздействия планет.

Происхождение систем регулярных спутников (т.е. движущихся в направлении вращения планеты по почти круговым орбитам, лежащим в плоскости ее экватора) авторы космогонических гипотез обычно объясняют повторением в малом масштабе того же процесса, который они предлагают для объяснения образования планет Солнечной системы. Такие спутники есть у Юпитера, Сатурна, Урана. Происхождение иррегулярных спутников (т.е. таких, которые обладают обратным движением) эти теории объясняют захватом.

Что касается Луны, то наиболее вероятным является ее образование на околоземной орбите (возможно, из нескольких крупных спутников, которые в конечном счете объединились в одно тело — Луну, что обеспечило ее быстрое нагревание), хотя продолжают обсуждаться и маловероятные гипотезы захвата Землей готовой Луны и отделения Луны от Земли.

3. Открытие других планетных систем

Проблема особенностей химического состава Солнечной системы. Хотя идея множественности планетных систем прочно утвердилась в астрономической картине мира еще со времен Дж. Бруно, однако до самого последнего времени эмпирически обоснованными данными о существовании планетных систем у других звезд астрономия не обладала. Возможности наблюдательной техники не позволяли этом убедиться. Только новейшие методы астрономического наблюдения окончательно закрыли эту «страницу» астрономического познания.

Вступление астрономии в XXI в. ознаменовалось выдающимся достижением — открытием планет за пределами Солнечной системы, планетных систем у других звезд. С помощью нового поколения средств и методов астрономического наблюдения начиная с 1995 г. удалось открыть уже свыше сотни планет за пределами Солнечной системы, у звезд, расположенных в радиусе примерно ста световых лет от нас.

Кроме того, согласно последним наблюдательным данным, по крайней мере каждая третья звезда имеет свою планетную систему. Эти данные лодтверждены наблюдениями в инфракрасном диапазоне молодых звезд. Это значит, что планетогенез (образ вание планетных систем) — не исключительное явление, а повсеместный момент эволюции материи. А наша планетная система - закономерное звено организации галактической и звездной материи, одна из многих подобных систем нашей Галактики. Но у нее есть и свои важные отличительные черты.

Как оказалось, подавляющее большинство открытых планет относятся к планетам типа Юпитера, т.е. состоят преимущественно из водорода и гелия. Их называют горячими Юпитерами. Похоже, что планет земного типа в других системах намного меньше, чем планет типа Юпитера. По-видимому, наша Солнечная система не относится к планетным системам со среднестатистическим распределением химических элементов во Вселенной и сложилась в особых условиях. Ее образование имело свои особенности, связанные с обогащением водородно-гелиевого пылевого диска тяжелыми элементами. Таким образом, открытие других планетных систем вновь привлекло внимание к проблемам происхождения (нуклеосинтеза) и распространения химических элементов во Вселенной, особенностям химического состава Солнечной системы. Вкратце, суть проблемы в следующем.

При спектроскопическом исследовании астрономических объектов во всей доступной нам Вселенной обнаруживаются одни и те же химические элементы. Однако относительная распространенность элементов, присущих Земле, не характерна для других частей Вселенной. Так, около 80% всех атомов во Вселенной — атомы водорода; остальные — главным образом атомы гелия[1] . Более тяжелые атомы, которые обычны для нашей планеты (железо, магний, кремний, кислород и др.), составляют во Вселенной лишь ничтожно малую часть. Ясно, что Земля сформировалась в особенных условиях, не характерных для среднестатистического распространения элементов во Вселенной, и что вначале во Вселенной не было сложных атомов, но впоследствии образовался какой-то способ синтеза сложных элементов из легких и простых. Когда и как образовалась такая «фабрика» химических элементов, как она связана с возникновением Солнечной системы — одна из центральных проблем современного естествознания, лежащая на стыке астрономии, химии и физики. На эти вопросы дает ответ теория строения и эволюции звезд.

4. Планеты и их спутники.

Земля — спутник Солнца в мировом пространстве, вечно кружащийся вокруг этого источника тепла и света. Самыми яркими из постоянно наблюдаемых нами небесных объектов, кроме Солнца и Луны, являются соседние с нами планеты. Они принадлежат к числу тех девяти миров (включая Землю), которые обращаются вокруг Солнца (а его радиус 700 тыс. км, т.е. в 100 раз больше радиуса Земли) на расстояниях, достигающих нескольких миллиардов километров. Группа планет вместе с Солнцем составляет Солнечную систему. Планеты хотя и кажутся похожими на звезды, в действительности гораздо меньше последних и темнее. Они видны только потому, что отражают солнечный свет, который кажется очень яркими, поскольку планеты гораздо ближе к Земле, чем звезды.

Кроме планет, в солнечную «семью» входят спутники планет (в том числе и наш спутник — Луна), астероиды, кометы, метеорные тела. Планеты расположены в следующем порядке: Меркурий, Венера, Земля (один спутник — Луна), Марс (два спутника), Юпитер (15 спутников), Сатурн (16 спутников), Уран (5 спутников), Нептун (2 спутника) и Плутон (1 спутник). Земля в 40 раз ближе к Солнцу, чем Плутон, и в 2,5 раза дальше, чем Меркурий. Возможно, что за Плутоном есть еще одна или несколько планет, но поиски их среди множества звезд слабее 15-й величины слишком кропотливы и не оправдывают затраченного времени. Возможно, они будут открыты «на кончике пера», как это уже было с Ураном, Нептуном и Плутоном.

Важную роль в Солнечной системе играет межпланетная среда, те формы вещества и поля, которые заполняют пространство Солнечной системы. Основные компоненты этой среды — солнечный ветер (поток заряженных частиц, в основном протонов и электронов, истекающих с поверхности Солнца); заряженные частицы высокой энергии, приходящие из глубин космоса; межпланетное магнитное поле; межпланетная пыль (большая часть с массой 10-3—10-5 г), основным источником которой являются кометы; нейтральный газ (атомы водорода и гелия).

С 1962 г. планеты и их спутники успешно исследуются космическими аппаратами. Изучены атмосферы и поверхность Венеры и Марса, сфотографированы поверхность Меркурия, облачный покров Венеры, Юлитера, Сатурна, вся поверхность Луны, получены изображения спутников Марса, Юпитера, Сатурна, колец Сатурна и Юпитера. Спускаемые космические аппараты исследовали физические и химические свойства пород, слагающих поверхность Марса, Венеры, Луны (образцы лунных пород были доставлены на Землю и тщательно изучены). С конца 1970-х гг. космическими станциями («Вояджер», «Галилео» и др.) исследовались планеты-гиганты и их спутники. Полученная информация значительно обогатила наши представления о строении и происхождении Солнечной системы.

По физическим характеристикам планеты делятся на две группы: планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс) и планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун). О Плутоне известно мало, но, по-видимому, он ближе по своему строению к планетам земной группы.

5. Строение планет.

Строение планет слоистое. Выделяют несколько сферических оболочек, различающихся по химическому составу, фазовому состоянию, плотности и другим характеристикам.

Все планеты земной группы имеют твердые оболочки, в которых сосредоточена почти вся их масса. Венера, Земля и Марс обладают газовыми атмосферами. Меркурий практически лишен атмосферы. Окутан плотной атмосферой крупнейший спутник Сатурна — Титан, который по размерам больше планеты Меркурий. Титан — единственный спутник в нашей Солнечной системе, обладающий постоянной и плотной газовой атмосферой, которая состоит главным образом из азота и метана. Запущенная в 1997 г. к Сатурну автоматическая космическая станция «Кассини», уже передавшая изображения Сатурна, в 2004 г. должна сблизиться с Титаном, спустить на его поверхность, «прититанить» на парашюте космический зонд «Гюйгенс», который будет передавать информацию о состоянии атмосферы и поверхности Титана (ее температура — 180°С).

Земля имеет жидкую оболочку из воды — гидросферу, а также биосферу (результат прошлой и современной деятельности живых организмов). Аналогом земной гидросферы на Марсе является криосфера — лед в полярных шапках и в грунте (вечная мерзлота). Одна из загадок Солнечной системы — дефицит воды на Венере.

Характеристики твердых оболочек планет относительно хорошо известны лишь для Земли. Модели внутреннего строения других планет земной группы строятся главным образом на основании данных о свойствах вещества земных недр. Как и у Земли, в твердых оболочках планет выделяют: кору — самую внешнюю тонкую (10—100 км) твердую оболочку; мантию — твердую и толстую (1000—3000 км) оболочку; ядро — наиболее плотную часть планетных недр.

Ядро Земли, состоящее, скорее всего, из железа, подразделяется на внешнее (жидкое) и внутреннее (твердое); температура в центре Земли оценивается в 4000—5000 К. Жидкое ядро, вероятно, есть также у Меркурия и Венеры; у Марса его, по-видимому, нет.

Наиболее распространены в твердом «теле» Земли железо (34,6%), кислород (29,5%), кремний (15,2%) и магний (12,7%).

Таким образом, планеты земной группы резко отличаются по элементному составу от Солнца и совершенно не соответствуют средней космической распространенности элементов — очень мало водорода, инертных газов, включая гелий.

Планеты-гиганты обладают иным химическим составом. Юпитер и Сатурн содержат водород и гелий в той же пропорции, что и Солнце. Вероятно, другие элементы также содержатся в пропорциях, соответствующих солнечному составу. В недрах Урана и Нептуна, по-видимому, больше тяжелых элементов.

Недра Юпитера находятся в жидком состоянии, за исключением небольшого ядра, которое представляет собой результат металлизации жидкого водорода. Температура в центре Юпитера около 30 000 К. Химический и изотопный состав Юпитера отражает, по-видимому, состав межзвездной среды, какой она была 5 млрд лет назад. Вместе с тем Юпитер никогда не был настолько горяч, чтобы в нем могли протекать термоядерные реакции. Сатурн по внутреннему строению похож на Юпитер. Строение недр Урана и Нептуна иное: доля каменистых материалов в них существенно больше.

Основными источниками энергии в недрах планет являются радиоактивный распад элементов и выделение гравитационной потенциальной энергии при аккреции (объединении) и дифференциации вещества, его постепенном перераспределении по глубине в соответствии с плотностью — тяжелые фрагменты тонут, легкие всплывают. На Земле подобное перераспределение еще далеко не завершилось. Такие процессы вызывают перемещения отдельных участков земной коры, деформацию, горообразование, тектонические и вулканические процессы.

Причина вулканических процессов в следующем. В верхней мантии существуют небольшие области, где температура достаточна для плавления ее вещества. Расплавленное вещество (магма), выдавливающееся вверх, прорывается через кору, и происходит вулканическое извержение. Судя по характеру поверхности, среди планет земной группы тектонически наиболее активна Земля, за ней следуют Венера и Марс. При этом важно, что выделяемая Землей тепловая энергия никогда не приводила ее в полностью расплавленное состояние.

Высокой тектонической и вулканической активностью отличаются и спутники дальних планет Солнечной системы, особенно Юпитера и Сатурна. Недавно было зафиксировано самое крупное извержение вулкана в Солнечной системе на спутнике Юпитера, который называется Ио. Площадь этого извержения — около 2000 км2, а его мощность превышает извержения земных вулканов в 5—6 тысяч раз! Ио — самое сейсмическое небесное тело во всей Солнечной системе.

Поверхность планет и их спутников формируют, кроме эндогенных (тектонических, вулканических) процессов, и экзогенные — падение метеорных тел, астероидов, которое приводит к образованию кратеров, эрозия (под действием ветра, осадков, воды, ледников), химическое взаимодействие поверхности с атмосферой и гидросферой и др. Эндогенные и экзогенные процессы определяют рельеф поверхности планет.

4. Обобщение и закрепление материала.

Контроль знаний.

Всего десять вопросов, каждый из которых имеет варианты ответа. Вам нужно выбрать правильный и обвести его кружочком

Вопросы:

1. Выберите планеты земной группы:

А) Меркурий, Венера, Марс, Земля

Б) Земля, Юпитер Сатурн, Марс

В) Марс, Земля, Уран, Юпитер

2) Выбери планеты - гиганты:

а) Уран,Земля,Меркурий,Марс

б) Марс,Земля,Уран,Юпитер

в) Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун.

3) Какая из планет Солнечной системы имеет самый короткий год?

а) Земля; б) Меркурий; в) Венера.

4) Какая из планет имеет самые длинные сутки по сравнению с его годом?

а) Плутон; б) Меркурий; в) Юпитер.

5) Какая из планет земной группы находится ближе всего к Земле?

а) Марс; б) Венера; в) Меркурий.

6) Какая из планет является самой яркой на ночном небе?

а) Меркурий; б) Венера; в) Юпитер.

7) На какой планете облака совершают облет поверхности за 4 часа?

а) Марс; б) Сатурн; в) Венера.

8) Названия спутников этой планеты переводятся как “страх” и “ужас”. О какой планете идет речь?

а) Юпитер; б) Плутон; в) Марс.

9) Какую планету называют красной?

а) Юпитер; б) Марс; в) Меркурий.

10) Выберите из списка планет те которые имеют кольца?

а) Юпитер; б) Сатурн; в) Уран; г) Нептун; д) Плутон.

(Ответы: 1-б, 2-в, 3-б, 4-б, 5-б, 6-б, 7-в, 8-в, 9-б, 10-а, б, в, г). На эти вопросы учащиеся должны ответить в течение трех минут, за каждый правильный ответ-1 балл.

Рефлексия. Подведение итогов урока.

5. Д.З. Доклад на тему «Планета»

Войти