ЛЕКЦИЯ 9

 

  Тема 7 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ КОЛЕБАНИЯ -периодические изменения вектора индукции магнитного поля и вектора напряженности электрического поля.
  Свободные электромагнитные колебания ➨периодически повторяющиеся изменения силы тока в электрической цепи, происходящие без потребления энергии от внешних источников. Такие колебания можно получить в электрическом колебательном контуре.
  Реальный колебательный контур ( ) ➨электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью С, катушки индуктивностью и сопротивления обмотки катушки; ➨ в реальном колебательном контуре свободные электромагнитные колебания являются затухающими;
  Идеальный колебательный контур (контур Томсона) ➨электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных конденсатора емкостью С и катушки индуктивностью ; ➨простейшая система, в которой могут происходить свободные электромагнитные колебания;  
  ● свободные электромагнитные колебания в контуре ➨в цепи возникают незатухающие гармонические колебания, если в некоторый момент времени зарядить конденсатор до напряжения . По гармоническому закону будут изменяться: напряжение на обкладках конденсатораС : ; ток в катушке индуктивности : ; В каждый момент времени мгновенные значения напряжения и тока сдвинуты по фазе на . Например: предельным значениям напряжения соответствуют мгновенные значения тока , предельным значениям тока - мгновенные значения напряжения .
  Формула Томсона [с] ➨ период собственных (свободных) колебаний контура;  
  · [Гц] ➨ частота собственных колебаний.
  · ➨ циклическая частота собственных колебаний.  
  Превращение энергии в колебательном контуре   ➨в колебательном контуре происходит взаимное превращение энергии электрического поля   в энергию магнитного поля ;   ➨дважды за период происходит перекачка энергии из электрического поля конденсатора в магнитное поле катушки индуктивности и обратно.  
  · закон сохранения энергии в идеальном колебательном контуре   ➨полная энергия электромагнитного поля сохраняется и равна амплитудному значению электрической энергии конденсатора или амплитудному значению энергии магнитного поля катушки индуктивности .
  Вынужденные электрические колебания ➨незатухающие колебания в колебательном контуре, происходящие под периодически изменяющимся внешним воздействием. ➨ для получения незатухающих колебаний необходимо в реальный колебательный контур непрерывно подводить энергию, которая бы компенсировала потери энергии в контуре. Эту функцию выполняет генератор переменного тока ~ .  
  ГЕНЕРАТОР переменного тока ➨машина, преобразующая механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока. ➨ принцип действия генератора переменного тока основан на явлении электромагнитной индукции.  
  ➨простейшая модель генератора – вращающаяся в постоянном магнитном поле рамка.   Поместим в однородное магнитное поле рамку, которая проводит электрический ток и приведем ее во вращение с угловой скоростью . Магнитный поток, пронизывающий рамку, определим по формуле: , т.к. ,то амплитудное значение потока равно: ,   тогда . Скорость изменения потока через рамку (первая производная ): По закону электромагнитной индукции (закон Фарадея): ,   где - амплитудное значение ЭДС.  
  Устройство генератора  
  ИНДУКТОР (вращающаяся часть - ротор) ➨постоянный магнит или электромагнит, создающий магнитное поле;  
  ЯКОРЬ (неподвижная часть - статор) ➨обмотка, в которой индуцируется переменная ЭДС.
  ПЕРЕМЕННЫЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК ➨ ток, величина которого с течением времени меняется по модулю и направлению. Переменный синусоидальный ток представляет собой вынужденные колебания тока в электрической цепи, происходящие с частотой , совпадающей с частотой вынуждающей ЭДС: - амплитудное значение силы тока; - сдвиг фазы между колебаниями тока и ЭДС.  
  Действующие (эффективные) значения силы тока и напряжения ➨ о силе переменного тока судят по его тепловому действию, т.к. оно не зависит от направления тока. По тепловому действию переменного тока определяют «эффективную» силу тока.  
  эффективной силой и эффективным напряжением переменного синусоидального тока называются сила и напряжение постоянного тока, который производит такое же тепловое действие, как и данный переменный ток.  
  · действующее значение силы тока ➨ величина, в раз меньше амплитудного значения силы тока; · действующее значение напряжения ➨величина, в раз меньше амплитудного значения напряжения;
  МГНОВЕННАЯ МОЩНОСТЬ переменного тока или ➨ равна произведению мгновенных значений силы тока и напряжения (при совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения); - амплитудные значения силы тока и напряжения.
  СРЕДНЯЯ МОЩНОСТЬ переменного тока ➨т.к. среднее значение квадрата косинуса за период равно 0,5;
  МОЩНОСТЬ переменного тока ➨при совпадении фазы колебаний силы тока и напряжения мощность равна произведению действующих значений силы тока и напряжения.  
  ЦЕПЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ➨представляет собой колебательный контур, к которому приложена внешняя синусоидальная ЭДС.
  АКТИВНОЕ сопротивление ➨величина, характеризующая сопротивление электрической цепи (или ее участка) электрическому току, обусловленное необратимыми превращениями энергии в другие формы (преимущественно в тепловую).
  РЕАКТИВНОЕ сопротивление ➨величина, характеризующая сопротивление, оказываемое переменному току электрической емкостью и индуктивностью цепи (или ее участка), обусловленное передачей электрической энергии электрическому или магнитному полю элементов цепи и обратно.
  · ИНДУКТИВНОЕ сопротивление
  · ЕМКОСТНОЕ сопротивление
  ПОЛНОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ цепи переменного тока
  РЕЗОНАНС в электрической цепи =     = ➨явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока при совпадении частоты внешнего переменного напряжения с собственной частотой колебательного контура;
  ➨возникает при равенстве индуктивного сопротивления емкостному сопротивлению ( = ) . При этом полное сопротивление цепи становится наименьшим, равным активному ( ).
  ➨резонанс так же наступает при равенстве частоты генератора и собственной частоты колебаний электрической цепи ( = ). Резонансная частота равна:.
  ТРАНСФОРМАТОР ➨электротехническое устройство, предназначенное для преобразования (повышения или понижения) напряжения переменного электрического тока.
  · устройство трансформатора ➨ простейший трансформатор состоит из: железного сердечника (магнитопровода) и расположенных на нем двух обмоток: первичной - и вторичной - витков. При подключении первичной обмотки трансформатора к источнику переменной ЭДС ~e1обе обмотки пронизывает общий магнитный поток Ф.   Изменение магнитного потока во вторичной обмотке возбуждает ЭДС индукции ~e2.  
  · режимы работы ➨ без нагрузки (холостой ход); под нагрузкой (рабочий ход).  
  · режим ХОЛОСТОГО хода ➨ этот режим имеет место при разомкнутой вторичной цепи. В этом случае ток во вторичной цепи отсутствует, т.е. =0. При холостом ходе ЭДС самоиндукции, действующая в первичной обмотке, почти равна поданному на нее напряжению сети переменного тока, в которую включен трансформатор, т.е. .  
  · режим РАБОЧЕГО хода ➨ этот режим имеет место при замкнутой вторичной цепи. В этом случае трансформатор нагружен (т.е. к нему подключены потребители энергии) и в цепи вторичной обмотки течет ток .  
  КОЭФФИЦИЕНТ ТРАНСФОРМАЦИИ ➨ равен отношению витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки; ➨отношение напряжения на первичной обмотке к напряжению на вторичной обмотке; ➨ отношение силы тока во вторичной обмотке к силе тока в первичной обмотке.  
  · ( > ) понижающий трансформатор;  
  · ( < ) повышающий трансформатор.  
  КПД трансформатора     ➨равен отношению полезной мощности (мощности, отдаваемой потребителям) к затраченной мощности (мощности, которая берется трансформатором от сети переменного тока).
  Производство, передача, потребление электрической энергии ➨электроэнергию вырабатывают на электростанциях и передают потребителям на большие расстояния с помощью линий электропередачи. При передаче электроэнергии по проводам часть этой энергии необратимо переходит во внутреннюю энергию и выделяется в проводах в виде теплоты:   (по закону Джоуля-Ленца). Способы снижения потерь электроэнергии: 1)увеличить сечение проводников , что экономически не выгодно;   2)уменьшить силу тока , что достигается применением трансформаторов.         - повышающий трансформатор, преобразует напряжение до , пропорционально уменьшается сила тока.   - понижающий трансформатор, преобразует высоковольтное напряжение до уровня, необходимого потребителю  
  Тема 8 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ- электромагнитные колебания, распространяющиеся в пространстве. Экспериментально были получены в 1880 г. Герцем.
  Источник электромагнитных волн ➨ колебательный контур.
  · открытый колебательный контур ➨в таком контуре электрическое поле конденсатора и магнитное поле катушки пространственно не разделены (антенна).  
  Основные идеи теории Максвелла ➨ 1)создано математическое описание электромагнитного поля, которое объясняло все известные на то время факты с единой точки зрения и позволяло предсказывать новые явления; 2)переменное магнитное поле порождает в пространстве вихревое электрическое поле; 3)переменное электрическое поле порождает магнитное поле; 4)электрическое поле и магнитное поле – различные формы проявления единого электромагнитного поля; 5)скорость распространения электромагнитных взаимодействий конечна и равна скорости света в вакууме ; 6)свет – есть форма электромагнитных волн.  
  Скорость распространения электромагнитных волн в вакууме - - предельная скорость распроcтранения любых физических взаимодействий в природе;
  в веществе –зависит от природы вещества, его диэлектрической и магнитной проницаемости (всегда меньше, чем в вакууме).
  · длина электромагнитной волны ➨ расстояние, которое проходит волна за время, равное периоду    
  Свойства электромагнитных волн ➨ 1) они могут распространяться не только в различных средах, но и в вакууме; 2) их скорость в вакууме – фундаментальная физическая константа; в любой среде их скорость меньше; 3)они поперечны, векторы и (перпендикулярные друг другу) в электромагнитной волне перпендикулярны направлению ее распространения; 4)их интенсивность увеличивается с ростом ускорения излучающей заряженной частицы; 5)волны с частотами вызывают у человека зрительные ощущения; 6)при определенных условиях проявляются типичные волновые свойства (явления отражения, преломления, дифракции, интерференции, поляризации);  
  Радиосвязь ➨использование свойств электромагнитных волн является основой радиосвязи – передачи информации с помощью радиоволн (волн, частоты которых охватывают широкий диапазон: от 3·104до3·1011Гц).
  · изобретение радио 7 мая 1895 г. – день рождения радио ➨возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов впервые продемонстрировал русский физик А.С. Попов.
  · приемник А.С. Попова ➨ 1 – антенна – в антенне электромагнитные волны вызывали вынужденные колебания тока и напряжения;  
  ➨ 2 – когерер – стеклянная трубка с двумя электродами, заполненная металлическими опилками; в нее с антенны подавалось переменное напряжение; в обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, т.к. опилки имеют плохой контакт друг с другом; прошедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты; между опилками проскакивают мельчайшие искорки, спекают опилки и сопротивление когерера падает(примерно в 100-200 раз); встряхнув прибор, можно вернуть ему большое сопротивление.  
    ➨ 3 –электромагнитное реле – сила тока в катушке электромагнитного реле возрастает и реле включает электрический звонок; так регистрируется прием электромагнитной волны антенной; ➨ 4 – электрический звонок – удар молоточка звонка по когереру встряхивал опилки, возвращал его в исходное состояние и приемник снова был готов к регистрации электромагнитных волн; ➨ 5 – источник постоянного тока;
  Модуляция ➨мощность радиоизлучения гораздо больше на высоких частотах, поэтому используют высокую несущую частоту, которую модулируют (изменяют) звуковой частотой. ➨ процесс наложения колебаний одной частоты на колебания другой называется модуляцией. Виды модуляции:амплитудная, частотная, фазовая.
  · амплитудная ➨процесс изменения амплитуды высокочастотных незатухающих электромагнитных колебаний с помощью колебаний звуковой частоты. Для этого в передатчике последовательно с колебательным контуром генератора высокой частоты включают вторичную обмотку трансформатора, на первичную обмотку которого подается сигнал звуковой частоты.    
  Детектирование ➨процесс преобразования сигнала в результате которого в приемнике из модулированных колебаний высокой частоты выделяются низкочастотные колебания; полученный в результате детектирования сигнал соответствует звуковому сигналу, который действовал на микрофон передатчика; усиленные колебания низкой частоты могут быть превращены в звук.
  Принципы радиосвязи   ➨переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстро меняющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в ней переменный ток той же частоты, на которой работает передатчик.
  Радиопередатчик Радиоприемник
  РАДИОПЕРЕДАТЧИК  
  · ГВЧ – генератор высокой частоты   ➨ формирует радиосигналы – электрические колебания высокой(несущей) частоты ВЧ.
  · МК – микрофон ➨ преобразовывает звуковой сигнал в электрические колебания низкой частоты НЧ.
  · МД – модулятор ➨смешивает электрические сигналыВЧ и НЧ.  
  · УВЧ – усилитель высокой частоты ➨усиливает модулированные по амплитуде (в соответствии с передаваемым сообщением) радиосигналы высокой частоты МВЧ.
  · АП – антенна передающая ➨излучает в окружающее пространство электромагнитные высокой частоты ВЧ (до 30 кГц), в то время как звуковой сигнал представляет собой механические колебания низкой частоты НЧ (0,1-10 кГц).
  РАДИОПРИЕМНИК ➨осуществляет прием электромагнитных волн. Колебательный контур приемника, настроенный на частоту передатчика, резонирует, исключает помехи, усиливает полезный сигнал.
  · ПА – приемная антенна
  ·ДМ - демодулятор ➨преобразует модулированные колебания высокой частоты МВЧ в колебания низкой частоты НЧ до необходимого уровня.  
  · Д - динамик ➨принимает колебания низкой частоты НЧ и преобразует их в звуковые сигналы, адекватные передаваемому сообщению.
  Шкала электромагнитных волн ➨непрерывная последовательность частот и длин волн электромагнитных излучений, представляющих собой распространяющееся в пространстве переменное электромагнитное поле.
   
  Границы по частотам или длинам волн между различными видами электромагнитного излучения весьма условны – последовательные участки шкалы непрерывно переходят друг в друга. Электромагнитные излучения, частоты которых отличаются на много порядков (например, радиоволны и рентгеновские лучи), имеют качественно различные свойства.
  · закономерности электромагнитных волн ➨по мере перехода от более длинных волн (малых частот) к более коротким (большим частотам)волновые свойства света (интерференция, дифракция, поляризация) проявляются слабее, а квантовые свойства, в которых решающую роль играет величина энергии , проявляются сильнее.
 
  Название диапазона Частота , Гц Длина волны , м Источники возбуждения Методы фиксации, область применения
  Низкочастотные колебания до 103 более 3·104 Генераторы переменного тока Электротехнические (электротехника)
  Радиоволны 103 3·105 Генераторы радиочастот. Генераторы СВЧ Радиотехнические (радиотехника, телевидение, радиосвязь, радиолокация)
  Инфракрасное излучение 1012 3·10-3 Излучение молекул и атомов при теп-ловых и электрических воздействиях Тепловые и фотографические (теплицы)
  Видимый свет 3,8×1014 8·10 -7   Глаз. Фотографические. Фотоэлек-трческие (жизнь на Земле)
  Ультрафиолетовое излучение и мягкое рентгеновское излучение 7,5·1014 3·1017 4·10 -7 10-9 Излучение атомов при воздействии ускоренных электронов Фотографические. Фотоэлектрические (медицина)
  Рентгеновское и -излучение 3·1020 10-12 Атомные процессы при воздействии ускоренных заряженных частиц Фотографические. Ионизационные (медицина, металлургия)
  -излучение 1023 3·10 -15 Ядерные процессы Радиоактивный распад. Космические процессы. Ионизационные (метод меченых атомов)
Раздел 5.ОПТИКА И КВАНТОВАЯ ФИЗИКА ЛЕКЦИЯ 10  
Тема 9 ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА  
- раздел физики, в котором изучаются явления и закономерности, связанные с возникнове-нием, распространением и взаимодействием с веществом световых электромагнитных волн.  
Источники света ➨ тела, которые излучают свет. При излучении источник света теряет часть своей энергии, а поглощая свет увеличивает внутреннюю энергию. Таким образом, распространение света сопровождается переносом энергии.    
· виды источников света ➨ u температурные – излучение света происходит в результате нагревания тела до высокой температуры; v люминесцентные (холодное свечение) – тела излу-чают свет при облучении их светом (фотолюминесцен-ция), рентгеновскими лучами, катодными лучами, радио-активным излучением, при окислительно-восстановитель-ных процессах (хемилюминесценция).  
· точечный источник света ➨ источник света, размеры которого малы по сравнению с расстоянием до освещаемого предмета (Солнце, звезды).  
· световой луч ➨ линия, вдоль которой распространяется энергия свето-вых электромагнитных волн.  
Закон прямолинейного распространение света ➨ в оптически однородной прозрачной среде (показа-тель преломления которой везде одинаков) свет распро-страняется по прямым линиям.  
· экспериментальные доказательства ➨ если расстояние между источником света и экраном значительно больше размеров источника, то на экране образуется четкая тень предмета.  
➨ если тело (2) поместить ближе к источнику (1), то его уже нельзя считать точечным; на экране образуются областитени (3) и полутени(4).  
· тень ➨ область пространства за предметом, куда не попадает свет от источника.  
· полутень ➨ область, в которую попадает свет от части источника.  
· ограничения закона прямолинейного распространения света ➨ закон нарушается, если свет проходит через очень малые отверстия, причем отклонение от прямолинейного распространения тем больше, чем меньше отверстие.  
Закон независимости световых пучков ➨ распространение световых лучей в среде происходит независимо друг от друга: отдельные лучи света, пере-секаясь не взаимодействуют.  
                                 

 

 

Законы отражения света ➨ луч падающий и луч отражен-ный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения;      
➨ угол падения равен углу отражения:  
Законы преломления света среда среда ➨ луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения;  
➨ отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных двух сред и равная относительному показателю преломления двух сред :  
· относительный показатель преломления ➨ равен отношению абсолютного показателя преломления второй среды к абсолютному показателю преломления первой среды ; ➨ показывает, во сколько раз скорость света в первой среде больше скорости света во второй среде  
· абсолютный показатель преломления ➨ показывает, во сколько раз скорость света в вакууме больше скорости света ср в данной среде;  
· следствия закона преломления ➨ если свет переходит из среды оптически более плотной (например, стекло nст=1,5 ) в среду оптически менее плотную (например, воздух nвоздуха≈1,0), то угол преломления больше угла падения (и наоборот);    
  n1 стекло n2 вoздух   >    
Полное отражение iпред n1- стекло   n2 -вoздух = 900 > - условие полного отражения ➨ отражение света при его падении из среды оптически более плотной в среду оптически менее плотную ; ➨ с увеличением угла падения увеличивается угол преломления и при некотором угле падения = угол преломления окажется равным 900 и будет сколь-зить по поверхности раздела двух сред;  
· предельный угол полного отражения ➨ угол падения , при котором угол преломления равен ( ); Согласно закону преломления света:  
·применение явления полного отражения рис. 1 рис. 2 рис. 3 ➨ явление полного отражения используется в призмах полного отражения.  
Показатель преломления стекла равен 1,5, поэтому предельный угол для границы стекло-воздух равен:  
Поэтому при падении света на границу стекло-воздух при всегда будет иметь место полное отражение.    
призмы полного отражения позволяют: 1) повернуть луч на (поворотная призма) – исполь-зуют в перископах - рис.1; 2) изменить направление светового луча на (оборачивающая призма) – используют в призматическом бинокле - рис. 2; 3) изменить порядок следования световых лучей (верхний луч становится нижним и наоборот)- рис. 3.    
Призма ➨ прозрачное тело, ограниченное с трех сторон плоскими поверхностями, пересекающимися так, что линии их пересечения взаимно параллельны.    
· треугольная призма  
· ход лучей в призме M N   ➨ от источника S луч падает на грань АС трехгранной призмы АВС, переходя из оптически менее плотной среды (воздух) в оптически более плотную среду (стекло). ➨ в точке М луч преломляется и идет в призме по прямой МN. При выходе из призмы в точке N через грань СВ луч еще раз преломляется, отклоняясь к основанию призмы. Для наблюдателя действительное изображение источника Sсдвинуто на уголипредставлено как мнимое .  
· угол отклонения луча призмой , где: - угол падения луча на грань АС, - угол преломления на грани ВС.    
· преломляющий угол призмы. ➨ угол между гранями АС и ВС.  
Построение изображений в плоском зеркале ➨ основано на соблюдении закона отражения: угол паде-ния равен углу отражения . Изображение в плоском зеркале мнимое , располо-жено симметрично относительно поверхности зеркала ( ) и равно по размерам самому предмету.      
 
ЛИНЗЫ линзы делятся: ➨ прозрачное тело, ограниченное двумя сферическими или сферической и плоской поверхностями и преобразующее форму светового пучка;  
· по оптическим свойствам ➨ линзы, превращающие входя-щий параллельный пучок све-товых лучей в пучок сходящихся лучей;  
- собирающие  
- рассеивающие ➨ линзы, превращающие входя-щий параллельный пучок свето-вых лучей в пучок расходящихся лучей;  
· по внешней форме    
- выпуклые линзы (собирающие линзы) ➨ линзы, у которых середина толще, чем края.  
Условное обозначение собирающей линзы

 

 
  Двояко- выпуклая Плоско- выпуклая Вогнуто-выпуклая    
- вогнутые линзы (рассеивающие линзы) ➨ линзы, у которых края толще, чем середина.
Условное обозначение рассеивающей линзы