Механическое движение. Относительность движения. Система отсчёта. Материальная точка. Траектория. Путь и перемещение. Мгновенная скорост

Энергия излучаемых (при помощи генератора незатухающих колебаний) электромагнитных колебаний при одинаковой амплитуде  колебаний силы тока в антенне  пропорциональна четвёртой степени  частоты колебаний. На частотах в десятки, сотни и даже тысячи герц интенсивность электромагнитных колебаний ничтожна мала. Поэтому для осуществления радио и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до сотен мегагерц.

При передаче по радио речи, музыки и других звуковых сигналов применяют различные виды модуляции высокочастотных (несущих) колебаний. Суть модуляции заключается в том, что высокочастотные колебания, вырабатываемые генератором, изменяют по закону низкой частоты. В этом и заключается один из принципов радиопередачи. Другим принципом является обратный процесс – детектирование. При радиоприёме из принятого антенной приёмника модулированного сигнала нужно отфильтровать звуковые высокочастотные колебания.

С помощью  радиоволн осуществляется передача на расстояние не только звуковых сигналов, но и изображения предметов. Большую роль в современном морском флоте, авиации и космонавтике играет радиолокация. В основе радиолокации лежит свойство отражения волн от проводящих тел. (От поверхности диэлектрика электромагнитные волны отражаются слабо, а от поверхности металлов почти полностью.) 

Билет 19.

Вопрос 1. Волновые свойства света (интерференция, дифракция, поляризация). Электромагнитная теория света.

Свет – это электромагнитные волны в интервале частот 63×10¹⁴¸+8×10¹⁴Гц, воспринимаемых человеческим глазом, т.е. длин волн в интервале 380¸770 нм.

Свету присущи все свойства электромагнитных волн: отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация. Свет может оказывать давление на вещество, поглощаться средой, вызывать явление фотоэффекта. Имеет конечную скорость распространения в вакууме 300000 км/с, а в среде скорость убывает.

Наиболее  наглядно волновые свойства света обнаруживаются в явлениях интерференции и дифракции. Интерференцией света называют пространственное перераспределение светового потока при наложении двух (или нескольких) когерентных световых волн, в результате чего в одних местах возникают максимумы, а в других минимумы интенсивности (интерференционная картина). Интерференцией света объясняется окраска мыльных пузырей и тонких масляных плёнок на воде, хотя мыльный раствор и масло бесцветны. Световые волны частично отражаются от поверхности тонкой плёнки, частично проходят её. На второй границе плёнки вновь происходит частичное отражение волны (рис. 1). Световые волны, отражённые двумя поверхностями тонкой плёнки, распространяются в одном направлении, но проходят разные пути. При разности хода l, кратной целому числу длин волн, l=2kl/2.

При разности хода, кратной нечётному числу полуволн, l=(2k+1)l/2, наблюдается интерференционный минимум. Когда выполняется условие максимума для одной длины световой волны, то оно не выполняется для других волн. Поэтому освещённая белым светом тонкая цветная прозрачная плёнка кажется окрашенной. Явление интерференции в тонких плёнках применяется для контроля качества обработки поверхностей просветления оптики.

При прохождении  света через малое круглое  отверстие на экране вокруг центрального светлого пятна наблюдается чередующиеся тёмные и светлые кольца; если свет проходит через узкую щель, то получается картина из чередующихся светлых и тёмных полос.

Явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при  прохождении у края преграды называют дифракцией света. Дифракция объясняется тем, что световые волны, приходящие в результате отклонения из разных точек отверстия в одну точку на экране, интерферируют между собой. Дифракция света используется в спектральных приборах, основным элементом которых является дифракционная решётка. Дифракционная решётка представляет собой прозрачную пластинку с нанесённой на ней системой параллельных непрозрачных полос, расположенных на одинаковых расстояниях друг от друга.

Пусть на решётку (рис. 2) падает монохроматический (определённой длины волны) свет. В результате дифракции на каждой щели свет распространяется не только в первоначальном направлении, но и по всем другим направлениям. Если за решёткой поставить собирающую линзу, то на экране в фокальной плоскости все лучи будут собираться в одну полоску.

Параллельные  лучи, идущие от краёв соседних щелей, имеют разность хода l=dsinj, где d – постоянная решётки – расстояние между соответствующими краями соседних щелей, называемое периодом решётки, j - угол отклонения световых лучей от перпендикуляра к плоскости решётки. При разности хода, равной целому числу длин волн dsinj=kl, наблюдается интерференционный максимум для данной длины волны. Условие интерференционного максимума выполняется для каждой длины волны при своём значении дифракционного угла j. В результате при прохождении через дифракционную решётку пучок белого света разлагается в спектр. Угол дифракции имеет наибольшее значение для красного света, так как длина волны красного света больше всех остальных в области видимого света. Наименьшее значении угла дифракции для фиолетового света.

Опыт  показывает, что интенсивность светового  пучка, проходящего через некоторые  кристаллы, например исландского шпата, зависит от взаимной ориентации двух кристаллов. При одинаковой ориентации кристаллов свет проходит через второй кристалл без ослабления.

Если  же второй кристалл повернут на 90⁰, то свет через него не проходит. Происходит явление поляризации, т.е. кристалл пропускает только такие волны, в которых колебания вектора напряжённости электрического поля совершаются в одной плоскости – плоскости поляризации. Явление поляризации доказывает волновую природу света и поперечность световых волн.

Узкий параллельный пучок белого света  при прохождении через стеклянную призму разлагается на пучки света разного цвета. Объясняется разложение белого света тем, что белый свет состоит из электромагнитных волн с разной длиной волны, а показатель преломления света зависит от длины его волны. Показатель преломления связан со скоростью света в среде, следовательно, скорость света в среде зависит от длины волны. Это явление и называют дисперсией света.

На основании  совпадения экспериментально измеренного  значения скорости электромагнитных волн Максвелл высказал предположение, что  свет – это электромагнитная волна. Эта гипотеза подтверждена свойствами, которыми обладает свет. 
 
 

Билет 20.

Опыты Резерфорда по рассеиванию a-частиц. Ядерная модель атома.

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

Большие успехи в исследовании строения атомов были достигнуты в опытах английского  учёного Эрнеста Резерфорда по рассеянию a-частиц при прохождении через тонкие слои вещества. В этих опытах узкий пучок a-частиц, испускаемых радиоактивным веществом, направлялся на тонкую золотую фольгу. За фольгой помещался экран, способный светиться под ударами быстрых частиц. Было обнаружено, что большинство a-частиц отклоняется от прямолинейного распространения после прохождения фольги, т.е. рассеивается, а некоторые a-частицы вообще отбрасываются назад. Рассеяние a-частиц Резерфорд объяснил тем, что положительный заряд не распределён равномерно в шаре радиусом 10^-10 м, как предполагали ранее, а сосредоточен в центральной части атома – атомном ядре. При прохождении около ядра a-частица, имеющая положительный заряд, отталкивается от него, а при попадании в ядро – отбрасывается в противоположном направлении. Так ведут себя частицы, имеющие одинаковый заряд, следовательно, существует центральная положительно заряжённая часть атома, в которой сосредоточена значительная масса атома. Расчёты показали, что для объяснения опытов нужно принять радиус атомного ядра равным примерно 10^-15 м.

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

Планетарная модель строения атома по Резерфорду не смогла объяснить ряд известных фактов: электрон, имеющий заряд, должен за счёт кулоновских сил притяжения упасть на ядро, а атом – это устойчивая система; при движении по круговой орбите, приближаясь к ядру, электрон в атоме должен излучать электромагнитные волны всевозможных частот, т.е. излучаемый свет должен иметь непрерывный спектр, на практике же получается иное: электроны атомов излучают свет, имеющий линейчатый спектр. Разрешить противоречия планетарной ядерной модели строения атома первым попытался датский физик Нильс Бор. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Билет 21.

Квантовые постулаты Бора. Испускание и поглощение света  атомами, объяснение этих процессов на основе квантовых  представлений. Принцип  спектрального анализа  и примеры его  практического применения.

В основу своей теории Бор положил два  постулата. Первый постулат: атомная система может находиться только в особых стационарных или квантовых состояниях, каждому из которых соответствует своя энергия; в стационарном состоянии атом не излучает.

Это означает, что электрон (например, в атоме водорода) может находиться на нескольких вполне определённых орбитах. Каждой орбите электрона соответствует вполне определённая энергия.

Второй  постулат: при переходе из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается квант электромагнитного излучения. Энергия фотона равна разности энергий атома в двух состояниях: hv=E_m-E_n; h=6,62×10^-34 Дж×с, где h – постоянная Планка.

При переходе электрона с ближней орбиты на более удалённую атомная система  поглощает квант энергии. При переходе с более удалённой орбиты электрона на ближнюю орбиту по отношению к ядру атомная система излучает квант энергии.

Теория  Бора позволила объяснить существование  линейчатых спектров.

Спектр  излучения (или поглощения) – это набор волн определённых частот, которые излучает (или поглощает) атом данного вещества.

Спектры бывают сплошные, линейчатые и полосатые.

Сплошные  спектры излучают все вещества, находящиеся в твёрдом или жидком состоянии. Сплошной спектр содержит волны всех частот видимого света и поэтому выглядит как цветная полоса с плавным переходом от одного цвета к другому в таком порядке: красный, оранжевый, желтый, зелёный, синий и фиолетовый (каждый охотник желает знать, где сидит фазан).

Линейчатые  спектры излучают все вещества в атомарном состоянии. Атомы всех веществ излучают свойственные только им наборы волн вполне определённых частот. Как у каждого человека свои личные отпечатки пальцев, так и у атома данного вещества свой, характерный только для него спектр. Линейчатые спектры излучения выглядят как цветные линии, разделённые промежутками. Природа линейчатых спектров объясняется тем, что у атомов конкретного вещества существуют только ему свойственные стационарные состояния со своей характерной энергией, а следовательно, и свой набор пар энергетических уровней, которые может менять атом, т.е. электрон в атоме может переходить только с одних определённых орбит на другие, вполне определённые орбиты для данного химического вещества.

Полосатые спектры излучаются молекулами. Выглядят полосатые спектры подобно линейчатым, только вместо отдельных линий наблюдается отдельные серии линий, воспринимаемые как отдельные полосы.

Характерным является то, что какой спектр излучается данными атомами, такой же и поглощается, т.е. спектры излучения по набору излучаемых частот совпадают со спектрами поглощения. Поскольку атомам разных веществ соответствуют свойственные только им спектры, то существует способ определения химического состава вещества методом изучения его спектров. Этот способ называется спектральным анализом. Спектральный анализ применяется для определения химического состава ископаемых руд при добыче полезных ископаемых, для определения химического состава звезд, атмосфер, планет; является основным методом контроля состава вещества в металлургии и машиностроении.