Ответы на экзаменационные билеты № 1-15 по дисциплине "Физика" (Равномерное движение по окружности. Законы Ньютона. Закона Фарадея. Интерференция света)

Билет 1

2. Конденсаторы. Если изолированному проводнику сообщить заряд Dq, то его потенциал увеличиться  на Dj, причем отношение Dq/Dj остается постоянным: Dq/Dj=С, где С – электрическая емкость проводника, т.е. величина, численно равная заряду, который надо сообщить проводнику, чтобы повысить его потенциал на единицу (на 1В). Электрическая емкость проводников зависит от их размеров, формы, диэлектрических свойств среды в которую они помещены, и расположения окружающих тел, но не зависит от материала проводника.  В СИ за единицу электрической емкости 1 фарад (Ф): [C]=1A=1кл/1В=1А2*с4/кг*м2.  Емкость равная 1Ф, очень велика, поэтому на практике чаще пользуются единицами микрофарад (1мкФ=10-6Ф) или пикофарад (1мкФ=10-12Ф). Конденсатор представляет собой систему двух проводников (обкладок) не соединенных друг с другом. Часто между обкладками помещают диэлектрик. При сообщении этим проводникам одинаковым по величине и разноименных зарядов, поле, создаваемое этими проводниками, практически полностью локализовано в пространстве между ними. Конденсаторы являются накопителями электрических зарядов. Отношение заряда на обкладке конденсатора к разности потенциалов между ними – постоянная величина: q/(j1-j2)=C. Плоский конденсатор состоит из двух пластин площадью S, расположенных на небольшом расстоянии d друг от друга, заряды на пластинах +q и –q. В общем  случае, если пространство между пластинами заполнено диэлектриком с диэлектрической проницаемостью e, то напряженность электростатического поля между пластинами равна сумме напряженности полей создаваемых каждой из пластин.

Е=s/e0e. Емкость плоского конденсатора равна С=e0eS/d. Параллельное и последовательное соединение конденсаторов. На практике конденсаторы часто соединяют различными способами. Найти эквивалентную емкость – это значит найти конденсатор такой емкости, который при тот же разности потенциалов будет накапливать тот же заряд q, что и батарея конденсаторов. При последовательном соединении N конденсаторов заряд на обкладках одинаков, напряжение на всей батарее конденсаторов равно сумме напряжений на каждом конденсаторе в отдельности: Uобщ=U1+U2+U3+...+UN, а общая емкость N конденсаторов 1/Собщ=1/С1+1/С2+1/С3+...+1/СN. При параллельном соединении конденсаторов напряжение U на всех конденсаторах одинаково и общая емкость Собщ батареи равна сумме емкостей отдельных конденсаторов, Собщ=С1+С2+С3+...+СN.

Билет 2

2. Ток – это направленное движение заряженных частиц. В металлах носителями тока являются свободные электроны, в электролитах – отрицательные и положительные ионы, в полупроводниках – электроны и дырки, в газах – ионы и электроны. Количественной характеристикой тока является сила тока. Сила тока I определяется количеством электричества, притекающего через поперечное сечение проводника за 1 с. Если I – постоянная величина, то I=q/t, откуда следует, что за промежуток времени t через поперечное сечение проводника протекает количество электричества, равное q=It.  Закон Ома для однородного участка цепи. Если к проводнику приложить разность потенциалов  j1-j2 то по проводнику потечет электрический ток. Сила тока прямо пропорциональна разности потенциалов (напряжению) на  концах проводника, т.е. (j1-j2)/I=const, j1-j2=U, U/I=R, где R – омическое (активное) сопротивление. Сопротивление R зависит от свойств проводника и от его геометрических размеров: R=rl/S, где r - удельное сопротивление, т.е. сопротивление проводника длинной 1м с единичной площадью поперечного сечения, l –  длинна проводника, S – площадь поперечного сечения. Последовательное и параллельной соединение сопротивлений. Сила тока, текущего через последовательно соединенные сопротивления, одинакова. Разность потенциалов jА-jВ равна сумме падений напряжений на сопротивлениях: jА-jВ=IR1+IR2+IR3+...+IRn, следовательно Rэкв= R1+R2+R3+...+Rn. При параллельном соединении все сопротивления находятся под одной разностью потенциалов, но токи, текущие через сопротивления будут различны. Ток, текущий через эквивалентное сопротивление, должен быть равен сумме токов, текущих через сопротивления: I1+I2+I3+...+In, следовательно (jА-jВ)/ Rэкв=(jА-jВ)/ R1+(jА-jВ)/ R2+(jА-jВ)/ R3+...+(jА-jВ)/Rn, или

1/ Rэкв=1/ R1+1/ R2+1/ R3+...+1/ Rn. Шунтирование приборов. Сила тока в цепи измеряется амперметром. Сопротивление амперметра мало, так как он включается в цепь последовательно и не должен существенно влиять на значение силы тока в цепи. Если сила тока I в цепи больше, чем максимальное значение силы тока, которую может измерить амперметр IAmax, то к амперметру параллельно подключают шунт, так что часть тока Iш начинает течь через шунт. Для существенного увеличения диапазона измерений необходимо, чтобы сопротивлений шунта было много меньше сопротивления амперметра. Если необходимо измерить силу тока, в n раз большую, чем можно измерит данным амперметром, т.е. I/IA=n, то следует подключить шунт с сопротивлением Rш=RA/(n-1). Напряжение на различных участках цепи измеряется вольтметром, который подключается параллельно. Показания вольтметра определяются падением напряжения на сопротивлении вольтметра Uv=IvRv  и равны падению напряжения на сопротивлении R. Если надо измерить напряжение больше, чем максимальное напряжение, которое может измерить данный вольтметр, то к вольтметру последовательно подключают добавочное сопротивление. Если нужно измерить напряжение в n раз большее, чем то напряжение, которое может измерить данный вольтметр, т.е. n=U/Uvmax, то необходимо подключить добавочное сопротивление Rдоб=(n-1)Rv. Электродвижущая сила. Закон Ома для полной цепи. Для поддержания постоянного электрического тока в цепи необходимо подключить источник. При этом очевидно, что кулоновские силы не могут поддерживать ток, так как работа этих сил по замкнутому контуру равна нулю, а известно, что когда по цепи течет ток, выделяется тепло. Следовательно, в цепи должны действовать цепи некулоновского происхождения, работа которых по замкнутому контуру не равна нулю. Устройство, в котором такие силы возникают, называется источником. Это могут быть химические силы (гальванические элементы), силы со стороны  магнитного поля и т.д. Источники тока  характеризуются  электродвижущей силой (эдс.). Эдс – физическая величина, равная работе сторонних сил Аст по перемещению единичного положительного заряда по замкнутой цепи: E=Аст/q0. Полная электрическая цепь состоит из  источника с эдс E и внутренним сопротивлением R. Сила тока, текущего по цепи, прямо пропорциональна эдс и обратно пропорциональна полному сопротивлению т.е. I= E/(R+r). (Закон Ома для полной цепи).

скоростями. Средняя скорость – векторная величина, равная отношению перемещения к промежутку времени, за которое это перемещение произошло: vср = Ds/Dt. Мгновенной скоростью называется предел отношения перемещения Ds к промежутку времени Dt, за которое это перемещение произошло, при стремлении Dt к нулю: vмгн = limDt-->0 Ds/Dt. Равномерным прямолинейным движением называется движение, при котором материальная точка за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения. При этом движении мгновенная скорость совпадает со средней: vмгн  = vср = Ds/Dt. Величина, характеризующая быстроту изменения скорости, называется ускорением. Средние ускорение – величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, за которое это изменение произошло: аср = Dv/Dt. Если v1 и v2 – мгновенные скорости  в моменты времени t1 и t2 то Dv=v2-v1, Dt=t2-t1. Мгновенное ускорение -  ускорение тело в данный момент времени. Это физическая величина, равная пределу отношения изменения скорости к промежутку времени,  за которое это изменение произошло, при стремлении промежутка времени к нулю: aмгн = lim Dt-->0 Dv/Dt.

2. Электрический ток в  газах.  Виды  газовых  разрядов  и  их  применение. Понятие о плазме. Газ под воздействием света или тепла  может  становиться  проводником  тока. Явление  прохождения  тока  через  газ  при  условии  внешнего  воздействия, называется несамостоятельным электрическим разрядом.  Процесс  возникновения ионов газа под воздействием температуры называется  термической  ионизацией. Возникновение ионов под воздействием светового  излучения  –  фотоионизация. Газ, в котором значительная часть молекул ионизирована, называется  плазмой. Температура плазмы достигает нескольких тысяч  градусов.  Электроны  и  ионы плазмы способны  перемещаться  под  воздействием  электрического  поля.  При увеличении напряженности поля в зависимости от давления  и  природы  газа  в нем возникает  разряд  без  воздействия  внешних  ионизаторов.  Это  явление называется самостоятельным электрическим разрядом. Чтобы электрон при  ударе об атом ионизовал его, необходимо, чтобы  он  обладал  энергией  не  меньшей работы  ионизации .  Эту  энергию  электрон   может   приобрести   под воздействием сил внешнего электрического поля  в  газе  на  пути  свободного пробега. Т.к. длина  свободного  пробега  мала,  самостоятельный разряд возможен только при высокой напряженности поля. При  низком  давлении газа образуется тлеющий  разряд,  что  объясняется  повышением  проводимости газа при разрежении (увеличивается путь свободного пробега). Если сила  тока в самостоятельном разряде очень велика, то удары  электронов  могут  вызвать нагревание катода и анода. С  поверхности  катода  при  высокой  температуре происходит эмиссия электронов,  поддерживающая  разряд  в  газе.  Этот  вид разряда называется дуговым.

Билет 4

1.Равномерное движение по окружности.

Движение тела по окружности- криволинейное, при нем изменяется две координаты и направление движения. Мгновенная скорость тела в любой точке криволинейной траектории направлена по касательной к траектории в этой точке. Движение по любой криволинейной траектории можно представить как движение по дугам некоторых окружностей. Равномерное движение по окружности- движение с ускорением, хотя по модулю скорость не изменяется. Равномерное движение по окружности- периодическое движение. Линейная и угловая скорости. Линейная скорость- величина, измеряемая отношением длины дуги окружности ко времени, за которое эта дуга пройдена. Она направлена в любой момент времени по касательной к окружности, в данной ее точке. (=2(R/T. Угловая скорость- величина, измеряемая отношением угла поворота тела ко времени, за которое произошел этот поворот. (=2(/R ( (=(R.Период и частота обращения.Период обращения- величина, равная промежутку времени, за который тело совершило полный оборот при равномерном движении по окружности. v=2(R/T. Частота обращения- число оборотов по окружности в единицу времени. n=1/T. v=2(Rn. a=4(2n2R. Ускорение при равномерном движении тела по окружности. Ускорение тела центростремительно, то есть направлено по радиусу окружности к ее центру. Модуль ускорения зависит от квадрата скорости тела и от радиуса соответствующей окружности. a=(2/r. T=(r; (=1/T ( v=2(r/T=2(r( ( a=4(2r2/T2=4(2r2(2

2. Ток в электролитах. В электролитах (растворы солей, кислот, щелочей и расплавы солей ) имеются положительные и отрицательные ионы. В растворе устанавливается динамическое равновесие между процессами диссоциации и рекомбинации ионов. Под действием электрического поля ионы приобретают направленное движение – положительные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательные (анионы) - к аноду. При электролизе в растворах солей масса катода увеличивается, так как на катоде осаждаются положительные ионы. Например, если электролитом является раствор медного купороса, и мы берем медные электроды, то масса катода со временем увеличивается. Электролизом называется явление выделения вещества на электродах при прохождении через электролит электрического тока. Для электролиза справедливы два закона Фарадея: 1. Масса вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорциональна протекшему через электролит количеству электричества (заряду): m=kq=kIt, где k – электрохимический эквивалент данного вещества. Физический смысл электрохимического эквивалента состоит в следующем: k численно равен количеству вещества, выделившемуся при прохождении через электролит заряда [k] кг/Кл. 2. Второй закон Фарадея устанавливает связь между электрохимическим и химическим эквивалентом данного вещества: k=x/F, где х – химический эквивалент вещества, равный отношению атомной массы вещества А к его валентности n: x=A/n, F – постоянная Фарадея, не зависящая  от свойств электролита, F=9,65*104 Кл/моль. Объединив два закона получим объединенный закон Фарадея m=(1/F)(A/n)It, т.е. масса выделившегося вещества прямо пропорциональна  атомной массе, силе тока, и времени и обратно пропорциональна валентности вещества. Если выделившаяся масса вещества численно равна его химическому эквиваленту, то постоянная Фарадея численно равна заряжу, который должен пройти через электролит, чтобы на электроде выделилась масса вещества, численно равная его химическому эквиваленту.

Билет 5

1. Первый закон Ньютона необходим для того, чтобы определить те системы отсчета, в которых справедлив второй закон Ньютона. Системы отсчета, в которых выполняется 1-й закон Ньютона, называются инерциальными, те системы отсчета, в которых 1-й закон не выполняется, - неинерциальными. В связи с важностью изложенного еще раз сформулируем  первый закон Ньютона: существуют такие системы отсчета, называемые инерциальными, в которых тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если на него не действуют силы или действие сил скомпенсировано. Очевидно, что если есть одна инерциальная система отсчета, то любая другая, движущаяся относительно ее равномерно и прямолинейно, является также инерциальной  системой отсчета

Динамика – раздел механики, в котором изучается движение тел под действием приложенных к нему сил. В основе динамике лежат три закона Ньютона. Первый закон Ньютона – закон инерции. Всякое тело стремиться сохранить состояние покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока на него не действует сила. Состояние покоя или равномерного прямолинейного движения с точки зрения динамики не различаются (а=0).

Билет 6

1. Второй закон Ньютона. Ускорение, с которым движется тело прямо пропорционально силе, действующей на тело, и обратно пропорционально его массе и совпадает по направлению с действующей силой: a=F/m. Если на тело действуют несколько сил, то под F понимают результирующую всех сил. Движение твердого тела зависит не только от приложенных сил, но и от точки их приложения. Можно показать, что ускорение центра тяжести (центра масс) не зависит от точки приложения сил и справедливо уравнение maцт=F1+F2+F3+..., где m – масса тела, aцт – ускорение его центра тяжести. Если тело движется поступательно, то это уравнение полностью описывает движение тела. Масса m является количественной мерой инертности тел. Сила F мера взаимодействия тел. Любое изменение характера движения тела, любое ускорение есть результат действия на тело других тел. Воздействие одного тела на другое может происходить при непосредственном соприкосновении тел или  посредством силовых полей. Различают поле тяготения, электрическое и магнитное поля.

2. Магнитное поле. Вокруг проводников с током и постоянных магнитов существует магнитное поле. Оно возникает вокруг любого направленно движущегося электрического заряда, а также  при наличии переменного во времени электрического поля. Магнитное поле можно обнаружить, помещая в него магнитные стрелки или проводники с током, так как оно оказывает на них ориентированное действие. Магнитное поле можно исследовать с помощью замкнутого контура  с током. Геометрические размеры контура должны быть настолько малы, чтобы в его пределах поле не изменялось. На контур в магнитном поле действует механический вращательный момент. Отношение максимального вращательного момента Ммах к произведению силы тока  I, текущего по контуру, и площади поверхности S, охватываемой этим контуром, величина постоянная: Ммах/IS=const. Этим отношением определяется основная силовая характеристика магнитного поля – вектор магнитной индукции

Билет 7

1. Третий закон Ньютона. Всякому действий всегда есть равное и противоположно направленное противодействие. Так, если взаимодействуют два тела A и B с силами F1 и F2, то эти силы равны по величине, противоположны по направлению, направлены вдоль одной прямой и приложены к разным телам. По третьему закону Ньютона Fвнутр1= - Fвнутр2, откуда Dp=FвнешDt, где FвнешDt – резонирующий импульс внешних сил, действующих на тела системы . Итак, это уравнение показывает, что импульс системы может измениться только под действием внешних сил.

2. закона Фарадея: 1. Масса вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорциональна протекшему через электролит количеству электричества (заряду): m=kq=kIt, где k – электрохимический эквивалент данного вещества. Физический смысл электрохимического эквивалента состоит в следующем: k численно равен количеству вещества, выделившемуся при прохождении через электролит заряда [k] кг/Кл. 2. Второй закон Фарадея устанавливает связь между электрохимическим и химическим эквивалентом данного вещества: k=x/F, где х – химический эквивалент вещества, равный отношению атомной массы вещества А к его валентности n: x=A/n, F – постоянная Фарадея, не зависящая  от свойств электролита, F=9,65*104 Кл/моль. Объединив два закона получим объединенный закон Фарадея m=(1/F)(A/n)It, т.е. масса выделившегося вещества прямо пропорциональна  атомной массе, силе тока, и времени и обратно пропорциональна валентности вещества. Если выделившаяся масса вещества численно равна его химическому эквиваленту, то постоянная Фарадея численно равна заряжу, который должен пройти через электролит, чтобы на электроде выделилась масса вещества, численно равная его химическому эквиваленту. Явление самоиндукции. Ток, текущий по проводящему контуру, создает вокруг него магнитное поле. Магнитный поток Ф, сцепленный с контуром, прямопропорционален силе тока в этом контуре: Ф=LI, где L – индуктивность контура. Индуктивность проводника зависит от его формы, размеров, а также от свойств окружающей среды. Так как индукционный ток вызван изменением силы тока в самом проводнике, то данное явление возникновения индукционного тока называется самоиндукцией, а возникающая эдс – эдс самоиндукции. Самоиндукция является частным случаем явления электромагнитной индукции. Если  I изменяется со временем по линейному закону, то Ecи = - (DФ/Dt)= - L(DI/Dt), где DI/Dt – скорость изменения силы тока. Эта формула справедлива только при L=const. Индуктивность – величина, численно равная эдс самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока в нем на единицу за единицу времени. В СИ за единицу индуктивности принимают индуктивность такого проводника, в котором при изменении тока на 1А за 1с возникает эдс самоиндукции 1В. Эта единица называется Генри (Гн): 1Гн=1В*с/А. Энергия магнитного поля, созданного током, по закону сохранения энергии равна энергии, затраченной источником на создание тока. При замыкании цепи ток в в цепи вследствии самоиндукции не мразу достигнет максимального значения I0, а посепенно. При размакании цепи ток также изчезает не сразу, а постепенно, при этом в проводнике выделяется тепло. Так как цепь разомкнута, то это тепло не может выделятся за счет работы источника, а может быть только следствием энергии, накопленной в соленоиде, энергии магнитного поля. Энергия магнитного поля соленоида, когда ток полностью прекратиться, переходит в джоулево тепло. Выражение для магнитного поля соленоида имеет вид: Wм=LI2/2.

Билет 8

1. Импульс тела р – физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость: p=mv. Импульс силы – физическая величина, равная произведению силы на промежуток времени, в течении которого эта сила действует, FDt. 2-й закон Ньютона может быть сформулирован следующим образом: Изменение импульса тела равно импульсу подействовавшей на него силы, т.е. Dp=FDt. Если на тело действуют несколько сил, то в этом случае берется результирующий импульс всех сил, подействовавших на тело. В проекциях на оси координат x,y,z это уравнение может быть записано в виде Dpx=FxDt, Dpy=FyDt, Dpz=FzDt. Из этого следует, что если, например, FyDt=0 и FzDt=0, то происходит изменение проекции импульса только на одно направление, и обратно, если изменяется проекция импульса только на одну из осей, то, следовательно, импульс силы, действующей на тело, имеет только одну проекцию, отличную от нуля. На тело 1 действует внешняя сила Fвнеш1 и внутренняя сила (со стороны второго тела) Fвнутр1. На второе тело действуют силы Fвнеш2 и Fвнутр2. Изменение импульса тела за промежуток времени равно Dp1= Fвнутр1Dt+ Fвнеш1Dt

изменение импульса второго тела: Dp2= Fвнутр2Dt+ Fвнеш2Dt.  Суммарный импульс системы равен p=p1+p2. Сложив левые и правые части уравнений, получим изменение суммарного импульса системы: Dp=(Fвнутр1+ Fвнутр2) Dt+(Fвнеш1+ Fвнеш2) Dt. По третьему закону Ньютона Fвнутр1= - Fвнутр2, откуда Dp=FвнешDt, где FвнешDt – резонирующий импульс внешних сил, действующих на тела системы . Итак, это уравнение показывает, что импульс системы может измениться только под действием внешних сил. Закон сохранения импульса можно сформулировать следующим образом: Импульс системы сохраняется, если результирующий импульс внешних сил, действующих на тела, входящих в систему, равен нулю. Системы, в которых на тела действуют только внутренние силы, называются замкнутыми. Очевидно, что в замкнутых системах импульс системы сохраняется. Однако и в незамкнутых системах в некоторых случаях можно использовать закон сохранения импульса.

2. Колебательный контур состоит из катушки индуктивности  L и конденсатора C. Если зарядить конденсатор до напряжения U0, то в начальный момент времени t1=0  на обкладках конденсатора будут максимальных значения напряжения U0 и заряда q0=СU0. Полная энергия системы равна энергии электрического поля конденсатора: W=Wэл= СU02/2= q02/2C. По цепи начинает течь ток, так как обкладки конденсатора замкнуты на индуктивность, однако вследствии самоиндукции конденсатор разряжается не мгновенно, а постепенно. Ток через индуктивность увеличивается, достигая максимального уровня I0. В момент времени t2=T/4 заряд конденсатора станет равным нулю, а ток достигнет максимального значения I0. Когда напряжение обращается в нуль, ток в цепи должен прекратиться, однако в следствии самоиндукции ток будет продолжать течь, что вызовет перезарядку конденсатора. Постепенно ток уменьшится до нуля. Затем конденсатор начнет разряжаться, причем  ток через индуктивность течет в обратном направлении и т.д. Через промежуток времени, равный Т, система приходит в исходное состояние. Частота колебания равна w=1/(Ö(LC)). Период колебаний равен T=2pÖ(LC). В колебательном контуре по гармоническому закону изменяется заряд, напряжение на обкладках конденсатора и мила тока в контуре.

Билет 9

1. Все тела притягиваются друг к другу. Для материальных точек (или шаров) закон всемирного тяготения имеет вид F=Gm1m2/r2, где m1,m2 –массы тел, r  - расстояние между материальными точками или центрами шаров, G – гравитационная постоянная. Массы, входящие в этот закон, есть мера гравитационного взаимодействия тел. Опыт показывает, что гравитационная и инертная массы равны. Физический смысл G: гравитационная постоянная численно равна силе притяжения, действующей между двумя материальными точками или шарами массами 1 кг, расположенными на расстоянии 1 м друг  от друга,  G=6,67*10-11H*м2/кг2. Если тело массы m находиться над поверхностью земли на высоте h, то на него действует сила тяготения, равная F=GmM3/(R3+h)2, где M3 – масса Земли, R3 -радиус Земли. В близи земной поверхности на все тела действует сила, обусловленная притяжением, - сила тяжести. Сила тяжести Fт определяется силой притяжения земли и тем, что Земля вращается вокруг собственной оси. В связи с малостью угловой скоростью вращения Земли (w=7,27*10-3с-1) сила тяжести мало отличается от силы тяготения. При h<Rз ускорение, создаваемое силой тяжести, является ускорением свободного падения: g=G/M3/R32=9,81 м/с2. Очевидно, что ускорение свободного падения для всех тел одинаково.

Билет 11

1. Сила трения. Трение, возникающие при относительном перемещении сухих поверхностей твердого тела, называется сухим трением. Различают три вида сухого трения: трение покоя, скольжения и качения. Если на тело действует сила F, но тело сохраняет состояние покоя (неподвижно относительно поверхности, на которой оно находиться), то это означает, что на тело одновременно действует сила, равная по величине и противоположная по направлению, - сила трения покоя. Сила трения покоя всегда равна по величине и противоположна по направлению внешней действующей силе: Fтр.покоя=-F. Сила трения скольжения определяется из соотношения: Fтр=kN, где k – коэффициент трения, зависящий от шероховатости и от физических свойств соприкасающихся поверхностей, N – сила реакции опоры, эта сила определяет насколько тело прижато к поверхности, по которой оно движется. Сила трения покоя изменяется по величине от 0 до максимального значения. Сила трения скольжения всегда направлена в сторону, противоположную скорости движения тела относительно поверхности, по которой оно движется. Сила трения качения мала по сравнению с силой трения скольжения. При больших скоростях сопротивление перекатыванию резко увеличивается и тогда следует рассматривать силу трения скольжения.

Билет 12

1. Статика изучает условия равновесия тела или системы тел. Состояние механической системы называется равновесным, если все точки системы покоятся по отношению к выбранной системе отсчета, то такое равновесие называется абсолютным, если система покоится относительно неинерциальной системе отсчета, то равновесие считается относительным. Для равновесия материальной точки необходимо и достаточно, чтобы сумма действующих на нее сил равнялась нулю. Для равновесия твердого тела это условие является необходимым. Например, пусть на тело действуют две равные, но противоположно направленные силы, приложенные в разных его точках. Под действием этих сил тело примет вращательное движение.

2. Электромагнитные волны. Согласно теории Максвелла,  переменное магнитное поле вызывает появление переменного вихревого эл. поля, которое, в свою очередь, вызывает появление переменного магнитного поля и т.д. Таким образом происходит распространение электромагнитных возмущений в пространстве т.е. распространяется электромагнитная волна. Основные свойства электромагнитных волн. 1. Электромагнитная волна – поперечная. 2. Скорость электромагнитных волн в вакууме равна v=c=3*108м/с и совпадает со скоростью света. В среде v=c/Ö(em), где e и m - диэлектрическая и магнитная проницаемости среды. 3. Электромагнитные волны переносят энергию. 4. Электромагнитные волны отражаются от проводящих поверхностей и преломляются на границе двух диэлектриков. 5. Электромагнитные волны оказывают давление на тела. 6. Если электромагнитная волна оказывает давление на тела, т.е. сообщает им импульс, следовательно, она также обладает импульсом. 7. Наблюдается дифракция, интерференция и поляризация электромагнитных волн.

Билет 13

1. Механическая работа равна произведению модулей силы и перемещения точки приложения силы на косинус угла между вектором силы и вектором перемещения: A=FDs cosa. Проекция силы на вектор перемещения равна Fs=F cosa, следовательно, A=FsDs.

Механическая энергия характеризует способность тела совершать механическую работу. Полная механическая энергия тела складывается из кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия – это энергия, которой обладает движущееся тело. Пусть на тело m действует сила F, перемещение тело Ds. Работа силы F равна A=FDs (cosa=1).  Согласно 2-му закону Ньютона, F=ma. Если в точках 1 и 2 скорость тела v1 и v2, то  Ds=(v22-v12)/2a. Подставив эти выражения, получим         A=( v22/2)- (v12/2).Итак, если на тело действует сила F,  работа которой отлична от нуля, А¹0, то это приводит к изменению величины mv2/2, называемой кинетической энергией: Eкин= mv2/2. Следовательно, изменение кинетической энергии равно работе силы, действующей на тело. Если на тело действуют несколько сил, то изменение кинетической энергии равно алгебраической сумме работ, совершаемых при данном перемещении каждой из сил. Потенциальной энергией обладает система тел, взаимодействующих между собой, если силы взаимодействия консервативны. Консервативной (потенциальной) силой называется сила, работа которой не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек траектории. Потенциальная энергия тела, поднятого на высоту h (h<Rз), равна Eп=mgh. Потенциальная энергия, обусловленная силой тяготения, есть Eп=-GmMз/r. Потенциальная энергия сжатой или растянутой пружины равна Еп=kx2/2. Согласно третьему закону Ньютона Eмех=Авнеш+Атр, т.е. изменение механической энергии равно работе внешних сил и сил трения. Закон сохранения механической энергии. Механическая энергия системы сохраняется, если работа внешних сил, действующих на тела, входящих в систему, равна нулю и отсутствуют силы трения, т.е. нет перехода механической энергии в другие виды энергии, например, в тепло: Eмех=Еп+Ек=const.

Билет 14

2. Интерференция света – это явление наложения волн с образованием устойчивой картины максимумов и минимумов. При интерференции света на экране наблюдается чередование светлых и темных полос, если свет монохроматический (излучаются электромагнитные волны одной длины), или цветных полос, если цвет белый или состоит из волн разной длинны. Необходимым условием наблюдения интерференционной картины является когерентность волн. Два различных источника света не могут быть когерентны. Свет излучается возбужденными атомами, время излучения атома длится ~10-8с, период колебаний, возбуждаемых световой волной ~10-15с. Невозможно согласовать излучение  двух атомов одного источника, тем более, невозможно согласовать излучение двух разных источников. Каждый атом излучает короткий цуг волн, который можно представить как сумму монохроматических волн с начальной фазой, определяемой моментом излучения. Поэтому интерферировать могут лишь волны, испускаемые в одном и том же акте излучения. Для получения интерференционной картины видимого света необходимо разделить излучения от одного источника на два потока, эти потоки  направить по двум разным траекториям, а затем соединить их в некоторой области пространства. В этом случае в данной точке пространства будут сходиться волны, испущенные одним атомом в одном акте излучения, и разность фаз колебаний, возбуждаемых в этой точке этими волнами, будет определятся только разностью хода волн. Например, луч, падающий непосредственно на экран SA, и луч, отразившийся от зеркала, ОА, будут когерентны. Разность геометрических волн в данном случае является разностью хода волн D=(SO+OA)-SA. Очевидно, что разность хода волн не должна превышать 3 м. Если D>3 м, то в точке A встречаются волны, излученные разными атомами, так как за время 10-8с одним атомом излучается цуг волн длиной l=ct=3 м, где с – скорость света, равная 300000 км/с.

Билет 15

1. Колебания. Движения или процессы, обладающие свойством повторяемости во времени, называются колебаниями. Колебания, при которых смещение изменяется по законам синуса или косинуса, называются гармоническими. Любой произвольный колебательный процесс можно представить как сумму гармонических колебаний. Механические колебания. Пусть к пружине с коэффициентом упругости k прикреплен груз массой m, находящийся на идеально гладкой поверхности. При растяжении пружины на тело начинает действовать сила упругости Fупр= -kx. Если тело отпустить, то под действием силы упругости оно начинает двигаться в сторону, противоположную смещению. Проходя положение равновесия, тело будет обладать максимальной скоростью и по инерции продолжит движение сжимая пружину. Под действием силы упругости, возникающей при деформации сжатия, тело остановится и начнет двигаться к положению равновесия и т.д. При этом х - смещение тела от положения равновесия О – изменяется по закону x=Asin(wt+j0), где As, w, j0 не зависят от времени. Это уравнение называется уравнением колебаний. Амплитуда А – максимальное смещение от положения равновесия. Циклическая частота w - число полных колебаний, совершаемых системой за промежуток времени 2p с. Частота n - число полных колебаний, совершаемых системой за 1 с. Период колебаний Т – промежуток времени, за который совершается одно полное колебание.

Фаза колебаний (wt+j0) определяет положение колеблющегося тела в момент времени t=0. Фаза обычно измеряется в радианах. T=1/n. Динамика гармонических колебаний. Согласно 2-му закону Ньютона, max=Fрезx,  где Fрезx – проекция на ось х результирующей всех сил действующих на тело. Поскольку ах= -w2х, Fрезx = -mw2х, где Fрезx – проекция на ось х, вдоль которой совершаются колебания. Из этого следует, что равнодействующая всех сил, действующих на тело, совершающее гармоническое колебание, прямо пропорциональна  смещению  и направлена в сторону, противоположную смещению. Силы, прямо пропорциональные смещению и направленные в сторону противоположную смещению, т.е. удовлетворяющие условию Fx= -kx, но имеющие иную природу, чем упругие силы, называются квазиупругими. Гармонические колебания совершаются по действием упругих или квазиупругих сил. Сложение колебаний, направленных вдоль одной прямой. Пусть материальная точка одновременно участвует в двух колебаниях, происходящих вдоль одной прямой, например вдоль оси х. Частоты колебаний одинаковы, а разность фаз есть Dj. Тогда уравнение колебаний имеют вид x1=A1sinwt, x2=A2sin(wt-Dj). При сложении этих двух колебаний получим x=x1+x2= A1sinwt+A2sin(wt-Dj). Очевидно, что амплитуда результирующего колебания будет зависеть от разности фаз. Так, если Dj= ±2pn, где n=0,1,2,3,...,n, то х=(А1+А2)sinwt, т.е. амплитуда результирующего колебания будет равна сумме амплитуд складываемых колебаний. Если Dj= ±(2n+1) p, то х=(А1-А2)sinwt, т.е  амплитуда результирующего колебания будет равна разности амплитуд и колебания происходят  с минимальной амплитудой. Если амплитуды складываемых колебаний равны, то в этом случае колебаний вообще происходить не будет. Затухающие колебания. Во всех реальных случаях колебаний помимо силы упругости на тело действует сила сопротивления, которая обычно считается пропорциональной скорости и направленной в сторону противоположную скорости. F2= -rv, где r-постоянный коэффициент. Тогда из 2-го закона Ньютона имеем ma= -kx-rv, причем w02=k/m, w0 – частота собственных колебаний сиситемы в отсутствии затухания, r/m=2b, где b - коэффициент затухания. Очевидно, чем больше r и чем меньше m, тем быстрее будут затухать колебания. Вынужденные колебания. Для поддержания колебаний в системе необходимо, чтобы действовала сила, работа которой компенсировала бы уменьшение механической энергии. Эта сила должна быть переменной, так как постоянная сила может только изменить положение равновесия, но не может способствовать поддержанию колебаний в системе. Таким образом, на систему, совершающую колебания должна действовать  вынуждающая сила F3=F0sinWt, где F0 – амплитуда вынуждающей силы, W - ее частота. Помимо вынуждающей силы на тело действует  сила упругости F1= -kx  и сила сопротивления F2= -rv. Из 2-го закона Ньютона имеем ma= -kx-rv+F0sinWt. Собственные колебания в системе затухнут, следовательно, вынужденные колебания происходят с частотой вынуждающей силы. Колебания, происходящие под действием вынужденной силы, называются вынужденными колебаниями. Амплитуда и фаза зависят от соотношения между частотой  собственных колебаний и частотой вынуждающей силы. При совпадении этих частот амплитуда колебаний будет резко возрастать. Это явление получило название резонанса. Резонансная амплитуда зависит от сопротивления среды.

2. Дифракция света. Явление огибания волнами препятствий и попадания света  в область геометрической тени называется дифракцией. Пусть плоская волна падает на щель в плоском экране АВ. Согласно принципа Гюйгенса-Френеля, каждая точка волнового фронта является источником вторичных волн, причем все эти различные источники когерентны. Огибающая к фронтам волн от вторичных источников дает положение нового фронта волны. Явление дифракции наблюдается при условии соизмеримости препятствий с длинной волны l~d. Все вторичные источники когерентны и распределение интенсивности есть результат интерференции волн, излучаемых вторичными источниками. Дифракционная решетка состоит из чередующихся прозрачных и непрозрачных полос. Суммарная ширина прозрачной и непрозрачной полосы называется периодом дифракционной решетки d. Пусть на решетку падает плоская волна. Так как l~d, то лучи начинают откланяться от первоначального направления распространения. Щели являются когерентными источниками.

Билет 3

1. Механика изучает механическое движение, условия и причины, вызывающие данное движение, а также условия равновесия тел. Механическим движением называется изменение положения тела или его частей относительно других тел с течением времени. Всякое движение относительно. Характер движения зависит от того, относительно каких тел мы рассматриваем данное движение. Тело, относительно которого мы рассматриваем положение других тел в пространстве, называется телом отсчета.  Системой отсчета называют систему координат, связанную с телом отсчета, и выбранный метод отсчета времени, т.е. часы. Выбор системы отсчета зависит от условий данной задачи. Движение реальных тел, как правило, сложное. Поэтому для упрощения рассмотрения движений пользуются законом независимости движений: всякое сложное движение можно представить как сумму независимых простейших движений. К простейшим движениям относятся поступательное и вращательное. В физике широко пользуются моделями, которые позволяют из всего многообразия физических свойств выбрать главное, определяющее данное физическое явление. Одним из первых моделей реальных тел являются материальная точка и абсолютно твердое тело. Материальной точкой называется тело, размером и формой которого можно пренебречь в условиях данной задачи. Абсолютно твердым телом называется тело, расстояние между любыми двумя точками которого остается постоянным при его движении. Эти модели позволяют исключить деформацию тел при движении. Поступательным называется движение, при котором отрезок, соединяющий любые две точки твердого тела, перемещается при движении параллельно самому себе. Из этого следует, что все точки тела при поступательном движении движутся  одинаково, т.е. с одинаковыми скоростями и ускорениями. Примером поступательного движения может служить движение кабины “чертова колеса”. Вращательным называется движение, при котором все точки абсолютно твёрдого тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой, называемой осью вращения, причем эти окружности лежат в плоскостях, перпендикулярных  оси вращения. Пользуясь законом независимости движений, сложное движение твёрдого тела модно рассматривать как сумму поступательного и вращательных движений. Одним из первых разделов механики является кинематика, изучающая механическое движение тел без выяснения причин, вызывающих данное движение. Перемещение Ds – вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории, по которой двигалась материальная точка некоторый промежуток времени Dt. Траектория – линия, описываемая  при движении материальной точкой в пространстве. Путь l – сумма длин отрезков траектории. При прямолинейном движении (траектория - прямая линия) модуль перемещения Ds равен длине пути l , если движение происходит в одном направлении. Быстрота изменения положения материальной точки в пространстве с течением времени характеризуется средней и мгновенной скоростями. Средняя скорость – векторная величина, равная отношению перемещения к промежутку времени, за которое это перемещение произошло: vср = Ds/Dt. Мгновенной скоростью называется предел отношения перемещения Ds к промежутку времени Dt, за которое это перемещение произошло, при стремлении Dt к нулю: vмгн = limDt-->0 Ds/Dt. Равномерным прямолинейным движением называется движение, при котором материальная точка за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения. При этом движении мгновенная скорость совпадает со средней: vмгн  = vср = Ds/Dt. Величина, характеризующая быстроту изменения скорости, называется ускорением. Средние ускорение – величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, за которое это изменение произошло: аср = Dv/Dt. Если v1 и v2 – мгновенные скорости  в моменты времени t1 и t2 то Dv=v2-v1, Dt=t2-t1. Мгновенное ускорение -  ускорение тело в данный момент времени. Это физическая величина, равная пределу отношения изменения скорости к промежутку времени,  за которое это изменение произошло, при стремлении промежутка времени к нулю: aмгн = lim Dt-->0 Dv/Dt.

2. Электрический ток в  газах.  Виды  газовых  разрядов  и  их  применение. Понятие о плазме. Газ под воздействием света или тепла  может  становиться  проводником  тока. Явление  прохождения  тока  через  газ  при  условии  внешнего  воздействия, называется несамостоятельным электрическим разрядом.  Процесс  возникновения ионов газа под воздействием температуры называется  термической  ионизацией. Возникновение ионов под воздействием светового  излучения  –  фотоионизация. Газ, в котором значительная часть молекул ионизирована, называется  плазмой. Температура плазмы достигает нескольких тысяч  градусов.  Электроны  и  ионы плазмы способны  перемещаться  под  воздействием  электрического  поля.  При увеличении напряженности поля в зависимости от давления  и  природы  газа  в нем возникает  разряд  без  воздействия  внешних  ионизаторов.  Это  явление называется самостоятельным электрическим разрядом. Чтобы электрон при  ударе об атом ионизовал его, необходимо, чтобы  он  обладал  энергией  не  меньшей работы  ионизации .  Эту  энергию  электрон   может   приобрести   под воздействием сил внешнего электрического поля  в  газе  на  пути  свободного пробега. Т.к. длина  свободного  пробега  мала,  самостоятельный разряд возможен только при высокой напряженности поля. При  низком  давлении газа образуется тлеющий  разряд,  что  объясняется  повышением  проводимости газа при разрежении (увеличивается путь свободного пробега). Если сила  тока в самостоятельном разряде очень велика, то удары  электронов  могут  вызвать нагревание катода и анода. С  поверхности  катода  при  высокой  температуре происходит эмиссия электронов,  поддерживающая  разряд  в  газе.  Этот  вид разряда называется дуговым.

Билет 4

1.Равномерное движение по окружности.

Движение тела по окружности- криволинейное, при нем изменяется две координаты и направление движения. Мгновенная скорость тела в любой точке криволинейной траектории направлена по касательной к траектории в этой точке. Движение по любой криволинейной траектории можно представить как движение по дугам некоторых окружностей. Равномерное движение по окружности- движение с ускорением, хотя по модулю скорость не изменяется. Равномерное движение по окружности- периодическое движение. Линейная и угловая скорости. Линейная скорость- величина, измеряемая отношением длины дуги окружности ко времени, за которое эта дуга пройдена. Она направлена в любой момент времени по касательной к окружности, в данной ее точке. (=2(R/T. Угловая скорость- величина, измеряемая отношением угла поворота тела ко времени, за которое произошел этот поворот. (=2(/R ( (=(R.Период и частота обращения.Период обращения- величина, равная промежутку времени, за который тело совершило полный оборот при равномерном движении по окружности. v=2(R/T. Частота обращения- число оборотов по окружности в единицу времени. n=1/T. v=2(Rn. a=4(2n2R. Ускорение при равномерном движении тела по окружности. Ускорение тела центростремительно, то есть направлено по радиусу окружности к ее центру. Модуль ускорения зависит от квадрата скорости тела и от радиуса соответствующей окружности. a=(2/r. T=(r; (=1/T ( v=2(r/T=2(r( ( a=4(2r2/T2=4(2r2(2

2. Ток в электролитах. В электролитах (растворы солей, кислот, щелочей и расплавы солей ) имеются положительные и отрицательные ионы. В растворе устанавливается динамическое равновесие между процессами диссоциации и рекомбинации ионов. Под действием электрического поля ионы приобретают направленное движение – положительные ионы (катионы) движутся к катоду, отрицательные (анионы) - к аноду. При электролизе в растворах солей масса катода увеличивается, так как на катоде осаждаются положительные ионы. Например, если электролитом является раствор медного купороса, и мы берем медные электроды, то масса катода со временем увеличивается. Электролизом называется явление выделения вещества на электродах при прохождении через электролит электрического тока. Для электролиза справедливы два закона Фарадея: 1. Масса вещества, выделившегося при электролизе, прямо пропорциональна протекшему через электролит количеству электричества (заряду): m=kq=kIt, где k – электрохимический эквивалент данного вещества. Физический смысл электрохимического эквивалента состоит в следующем: k численно равен количеству вещества, выделившемуся при прохождении через электролит заряда [k] кг/Кл. 2. Второй закон Фарадея устанавливает связь между электрохимическим и химическим эквивалентом данного вещества: k=x/F, где х – химический эквивалент вещества, равный отношению атомной массы вещества А к его валентности n: x=A/n, F – постоянная Фарадея, не зависящая  от свойств электролита, F=9,65*104 Кл/моль. Объединив два закона получим объединенный закон Фарадея m=(1/F)(A/n)It, т.е. масса выделившегося вещества прямо пропорциональна  атомной массе, силе тока, и времени и обратно пропорциональна валентности вещества. Если выделившаяся масса вещества численно равна его химическому эквиваленту, то постоянная Фарадея численно равна заряжу, который должен пройти через электролит, чтобы на электроде выделилась масса вещества, численно равная его химическому эквиваленту.