Довідник з фізики

Закон взаємозв’язку енергії і маси – Елементи теорії відносності

Фізика

Елементи теорії відносності

Закон взаємозв’язку енергії і маси

Навіть у стані спокою тіло має енергію, яка називається Енергією спокою і дорівнює, де c – швидкість світла у вакуумі.
Енергія спокою відрізняється від класичної енергії ( чи ) і є невід’ємною характеристикою тіла (чи частинки) незмінної маси.

Сила тертя. Коефіцієнт тертя

– Динаміка

Фізика

Динаміка

Сила тертя. Коефіцієнт тертя

Про тертя і його різновиди (тертя спокою, ковзання, кочення) вже йшлося у 7 класі. Однак треба доповнити цю інформацію, користуючись поняттям векторів сил.
Якщо сила не зрушила тіло , то
.

Якщо під дією сили тіло рухається (ковзає), то сила тертя ковзання прямо пропорційна силі нормального притиснення (), якій чисельно дорівнює сила реакції опори .

Якщо рух тіла рівномірний, то . Коефіцієнт тертя µ залежить від стану поверхонь тіл, які дотикаються під час руху (наприклад, від якості обробки, наявності мастил), і від матеріалу, з якого виготовлені тіла.
Якщо тіло поставити на котки або на колеса, то сила тертя, що виникає під час руху (кочення) тіл, у десятки разів менша за силу тертя ковзання.

Сила – Взаємодія тіл

Фізика

Взаємодія тіл

Взаємодія тіл. Сила

Якщо стан руху якогось тіла змінився внаслідок дії на нього іншого тіла, то кажуть, що друге тіло подіяло на перше тіло з деякою силою.
При цьому і перше тіло діяло на друге з такою самою силою, тобто ці тіла провзаємодіяли.
СилаF (від англ. force) – це фізична величина, що є кількісною мірою взаємодії тіл.
Сила вимірюється у ньютонах, .
Графічно силу зображують стрілкою, яка має напрям дії сили і довжина якої в деякому масштабі відповідає числовому значенню сили. Більшій силі відповідає довша стрілка.

Квантові постулати Бора. Поглинання та випромінювання світла атомом – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Квантові постулати Бора. Поглинання та випромінювання світла атомом

Е. Резерфорд із співробітниками після відкриття ядра зосередив увагу на його властивостях, не розв’язуючи проблему електронів. Він погодився з припущенням Х. Нагаоки, що в складних атомах всі електрони можуть рухатись навколо ядра по спільній орбіті.
Датський фізик Нільс Бор перетворив ядерну модель атома на планетарну, розглядаючи рух електронів в атомах, складніших за атом Гідрогену, по багатьох кругових орбітах навколо ядра (подібно до руху планет навколо Сонця).
Моделі і Нагаоки, і Бора мали принциповий недолік: якби атоми дійсно були такими, як у цих моделях, то не могли б бути стійкими, не могли б існувати. Адже заряджена частинка, яка рухається по колу (тобто має прискорення), згідно із законами електродинаміки повинна випромінювати, втрачаючи внаслідок цього енергію. Тож, траєкторією електрона була б спіраль, а не коло (електрон “давно упав би на ядро”). Першим виявив цей недолік Нагаока.
Бор сформулював такі твердження (Постулати Бора).
1) В атомі існує набір стаціонарних (цілком певних радіусів для кожного атома) орбіт, по яких рух електронів не супроводжується зміною їх енергії;
2) При переході електрона із однієї такої орбіти на іншу його енергія змінюється стрибкоподібно.
Переходи електронів з ближніх орбіт на віддалені – результат поглинання фотонів (а), а при зворотних переходах (б) відбувається випускання фотона; для кожного з таких зворотних переходів:
,
де – енергія фотона.

Хоча постулати Бора і не пояснили, чому електрони мають здатність до стаціонарного руху по кругових орбітах, все ж вони відіграли велику роль у подальшому розвитку теорії атома.

Сили пружності. Закон Гука – Динаміка

Фізика

Динаміка

Сили пружності. Закон Гука

Пружність – це здатність деформованих тіл відновлювати початкові форму і об’єм за умови припинення зовнішньої дії.
Сили пружності виникають при деформуванні тіл і напрямлені протилежно до сил, які викликають деформацію.
Сила пружності за модулем прямо пропорційна зміні довжини тіла : , де k – жорсткість тіла, що деформується (пружини). Ця формула – один із виразів закону пружності твердих тіл, що його відкрив у 1660 р. англійський фізик Роберт Гук.
Нехай стрижень із пружного матеріалу початковою довжиною і початковою площею поперечного перерізу здеформували так, що він має і . Відносним видовженням Стрижня називається відношення . Механічне напруження, що виникає у стрижні, – це відношення сили пружності до площі S0: .
Закон Гука при невеликих видовженнях констатує пряму пропорційність між s i e: , тобто механічне напруження в тілі при його деформації в межах пружності прямо пропорційне відносному видовженню.
Коефіцієнт пропорційності Е називається Модулем пружності, або Модулем Юнга (на честь англійця Томаса Юнга).

Додавання сил, які діють в однаковому напрямку. Центр тяжіння – Взаємодія тіл

Фізика

Взаємодія тіл

Додавання сил, які діють в однаковому напрямку. Центр тяжіння

На рисунку два хлопчики тягнуть тротуаром контейнер і діють на нього через трос T силами і . Потім їх змінює чоловік і рухає контейнер із тією самою швидкістю. При цьому результуюча сила R, з якою діє на трос чоловік, чисельно дорівнює сумі значень сил і : .

Рівнодійною сил і називається сила R, яка спричиняє на тіло таку саму дію, як і сили і .


Для введення поняття центра тяжіння тіла треба скористатися поняттям рівнодійної сили. Центр тяжіння тілаЦ – точка прикладення рівнодійної всіх елементарних сил тяжіння (тобто сил тяжіння, що діють на окремі маленькі елементи тіла).

Робота і потужність струму. Кількість теплоти, що виділяється у провіднику зі струмом – Електричні явища

Фізика

Електричні явища

Робота і потужність струму. Кількість теплоти, що виділяється у провіднику зі струмом

Роботу сил електричного поля, які переміщують заряди у провіднику, можна розглядати як роботу струму. З формули напруги випливає: . З виразу сили струму запишемо і підставимо цей вираз у формулу роботи: А = IUt.
Потужність струму P дорівнює роботі, поділеній на час, тому Р = IU, отже існує зв’язок вата з електричними одиницями: Вт = А – В.
При зіткненні електронів з атомами в провіднику кінетична енергія електронів перетворюється на теплову енергію провідника. Кількість теплоти, що виділяється у провіднику зі струмом, дорівнює роботі електричного струму: Q = IUt.
Якщо опір провідника відомо, то, виразивши U із закону Ома (тобто ), запишемо:, тобто кількість теплоти, яку виділяє в провіднику струм, пропорційна квадрату сили струму, опору провідника і часу протікання струму через провідник.
У такому вигляді найчастіше виражають закон теплової дії струму – закон Джоуля – Ленца (Емілій Християнович Ленц – російський фізик).

Матеріальна точка. Траєкторія. Шлях і переміщення. Скалярні і векторні фізичні величини – Кінематика

Фізика

Кінематика

Матеріальна точка. Траєкторія. Шлях і переміщення. Скалярні і векторні фізичні величини

Для спрощення опису руху протяжних у просторі реальних тіл введено ідеалізоване поняття матеріальної точки.
Матеріальна точка – це тіло, розмірами і формою якого за даних умов розгляду можна нехтувати. Приклад: літак, за польотом якого спостерігають з поверхні Землі.
Поняття траєкторії руху тіла і пройденого тілом шляху уже розглядались. Слід застосувати ці поняття до матеріальної точки.
Траєкторією руху матеріальної точки називається уявна лінія в просторі, вздовж якої точка рухається. Приклади: хмаркоподібний слід у небі від літака, що рухається на великій висоті; слід, який залишає на папері ампула авторучки, та ін.

ШляхS – це відстань, яку проходить матеріальна точка вздовж траєкторії за якийсь проміжок часу.
Переміщенням матеріальної точки на даній ділянці траєкторії називається напрямлений відрізок, який сполучає початкову і кінцеву точки траєкторії.
Деякі фізичні величини характеризуються лише числовими значеннями і називаються Скалярними величинами, або Скалярами (шлях, час). Інші величини, що характеризуються ще й напрямком у просторі (швидкість, сила, переміщення), називаються Векторними величинами, або Векторами, і позначаються стрілкою над буквеними символами цих величин . Числові значення таких величин називаються Модулями векторів і позначаються або квадратними дужками: , або буквеним символом без стрілки: .
Таким чином, шлях s – скаляр, переміщення – вектор. У випадку прямолінійного руху , а у випадку криволінійного .

Дисперсія світла – Хвильова оптика

Фізика

Хвильова оптика

Дисперсія світла

Дисперсією світла називається явище залежності швидкості світла (а отже, і показника заломлення n світла речовиною) від довжини хвилі (частоти) світла.
Показник n тим більший, чим менша . Треба пам’ятати, що : нм, нм (1 нм == 10–9 м).
Якщо на скляну призму спрямувати промінь сонячного світла, то на виході з призми буде спостерігатися розширена світлова смуга із забарвленням, що безперервно (плавно) змінюється. Ця смуга називається Спектром.

Для запам’ятовування послідовності кольорів у спектрі зручно користуватись мнемонічною умовною фразою. Усім відома фраза про “допитливого мисливця” (“Каждый охотник желает знать…”). Можна запропонувати “саморобне” речення українською: “Чарівна Олена і Жаба Зелена Багатьом Сприяли Фантазіям” (початкові літери цих слів дозволяють пам’ятати чергування кольорів: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, блакитний, синій, фіолетовий).

Термоядерні реакції – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Термоядерні реакції

Термоядерними називають реакції синтезу деяких ядер із більш легких, оскільки для злиття ядер вихідні речовини треба нагріти настільки, щоб кінетична енергія ядер перевищувала енергію відштовхування їх протонів. Так, для злиття ядер дейтерію і тритію потрібна температура близько К. Поки що такими реакціями керувати не вдається. Вони здійснені лише у водневій бомбі, де вихідною речовиною є дейтерид літію LiD, схеми реакцій: ; .
Саме за рахунок реакцій синтезу виділяється енергія Сонцем та іншими зірками.
У лабораторних умовах провадяться експерименти з нагрівання суміші легких ізотопів потужними лазерними променями. Інший напрям – нагрівання іонізованої газової суміші ізотопів Гідрогену електричним струмом, оточеним сильним магнітним полем.
Найбільш відомі установки другого типу, які одержали назву ТОКАМАК (тороїдальна камера з магнітними котушками), були створені в Радянському Союзі. На базі найбільшого з токамаків розпочато спорудження міжнародного промислового термоядерного реактора у Франції (м. Кадараш). Серед країн-учасниць проекту – Росія, США, Японія, Південна Корея й Китай. Орієнтовний термін виготовлення реактора – 2015 рік. Реактор розраховують на вироблення 7 млрд кіловат-годин електроенергії при затратах 100 г дейтерію і 3 т літію за рік.

Відкриття електрона. Класичні уявлення про будову атома – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Відкриття електрона. Класичні уявлення про будову атома

У 1897 р. англійський фізик Джозеф Джон Томсон, досліджуючи відхилення магнітним полем катодних променів, довів, що вони є потоком негативно заряджених частинок, маса яких приблизно в 1840 разів менша за масу атома водню. Так було відкрито Електрон. Учений також визначив заряд електрона (який було уточнено американським фізиком Робертом Мілікеном у 1909-1913 рр.)
Дж. Дж. Томсон розробив модель будови атома, образно названу пудингом (чи кексом) із родзинками, в якій позитивний заряд атома вважався рівномірно розподіленим по всьому атому:

Пізніше ця модель була визнана помилковою.

Вимушені коливання. Резонанс – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Вимушені коливання. Резонанс

Графік ідеалізованого власного коливання являє собою синусоїду або косинусоїду. Однак у будь-якій реальній коливальній системі, внаслідок неминучості дії сил тертя й опору, власні коливання згасають, тобто їх амплітуда зменшується з часом.

У природі і техніці дуже часто реалізуються не власні, а вимушені коливання, тобто коливання під дією зовнішньої (змушуючої) сили. Приклади: вимушені коливання здійснюють дерева і фрагменти споруд під натиском вітру; підлога машинного залу на заводі; міст під ногами людей, мембрана мікрофона та ін.
Вимушені коливання можуть бути незгасаючими, якщо зовнішня дія буде компенсувати зменшення енергії в системі, викликане дією сил тертя й опору.
Особливим проявом дії змушуючої сили є явище Резонансу – стрімкого (різкого) зростання амплітуди вимушених коливань за умови збігу частоти власних коливань системи (або ) і частоти (або ), з якою змінюється змушуюча сила.

Приклад перших проявів руйнівної дії резонансу: руйнування підвісних мостів через річку Луару у Франції наприкінці XIX ст. та в Росії на початку ХХ ст. через річку Фонтанка. У першому випадку солдати крокували по мосту в ногу, у другому – гарцювали кінні гренадери.
Для послаблення шкідливої дії резонансу в техніці використовують гасителі коливань (демпфери), гумові та повстяні прокладки.
Але резонанс може бути не тільки шкідливим. Приклади корисних проявів резонансу: підсилення звуку музичними інструментами (корпус гітари, міхи баяна), настроювання радіоприймача на частоту потрібної радіостанції.

Перетворення енергії в механічних і теплових процесах. Двигун внутрішнього згоряння – Теплові явища

Фізика

Теплові явища

Перетворення енергії в механічних і теплових процесах. Двигун внутрішнього згоряння

Уже розглянуто приклади нагрівання тіл внаслідок виконання над ними механічної роботи (прийнято казати: робота перетворюється у теплоту).
Але можлива і зворотна ситуація: виконання роботи за рахунок теплової енергії. Побутовий приклад – кришка чайника, яка підстрибує при кипінні води (ця система – немов би прообраз парової машини).
Тепловими двигунами Називаються періодично діючі пристрої, що перетворюють теплову енергію на механічну. Широко розповсюджені теплові двигуни, що мають назву Двигунів внутрішнього згоряння. У 1867 р. німецький конструктор Ніколаус Отто винайшов 4-тактний двигун (принцип дії цього технічного пристрою детально викладено в підручнику). Крім двигуна Отто (карбюраторного двигуна) широке застосування знайшли двигуни, які винайшов у 1897 р. німецький інженер Рудольф Дизель (дизельні двигуни). Їх перевагою є використання для спалювання не розпиленого бензину, а рідких дизельних палив (наприклад соляру).

Змочування. Капілярні явища – Молекулярна фізика

Фізика

Молекулярна фізика

Змочування. Капілярні явища

Рідина, яка відносно матеріалу даного твердого тіла виявляється змочуючою, піднімається у вузенькій трубці, виготовленій із цього матеріалу (у капілярі), утворюючи увігнутий меніск (а). При цьому збільшується площа контактування рідини і твердого тіла. Поблизу зовнішніх стінок капіляра рідина дещо піднімається над вільною поверхнею. І навпаки, незмочуюча рідина опускається в капілярі, утворюючи опуклий меніск (б), і відходить зовні від капіляра.

Приклади рідин, що змочують чисте скло: вода і гас, а незмочуючою скло рідиною є ртуть. За рахунок сил поверхневого натягу краплинки ртуті набувають сферичної форми.
Висоту h підняття (чи опускання) рідини в капілярі можна знаходити за формулою , де r – радіус капіляра. Капілярність дуже важлива в живому світі (рух вологи в грунті, поживних соків у рослинах) та техніці (підйом спирту чи гасу в гноті, фарбування тканин і шкіри).

Закони термодинаміки – Термодинаміка

Фізика

Термодинаміка

Закони термодинаміки

Перший закон термодинаміки (два формулювання):
1) Результатом одержання системою кількості теплоти Q є збільшення внутрішньої енергії системи і виконання нею роботи проти зовнішніх сил: (звідси , , тобто робота А не більша за кількість теплоти Q (не може існувати “вічний двигун 1-го роду”, який би дозволяв виконувати роботу ).
2) Приріст внутрішньої енергії системи може бути результатом і теплопередачі системі, і виконання над нею роботи зовнішніми силами: , де .
Другий закон термодинаміки: неможлива самочинна теплопередача від менш нагрітого тіла більш нагрітому; не може існувати “вічний двигун 2-го роду”, який забезпечував би виконання умови .

Закон Кулона – Електростатика

Фізика

Електростатика

Закон Кулона

Фундаментальний закон електричної взаємодії точкових зарядів сформулював у 1785 р. французький фізик Шарль Кулон: модуль кожної із сил взаємодії двох точкових зарядів прямо пропорційний числовим значенням зарядів і обернено пропорційний квадрату відстані між ними.
Взаємодія у вакуумі (або в повітрі) точкових зарядів (тобто заряджених матеріальних точок) описується формулою . Коефіцієнт k залежить від вибору системи одиниць, у CI. Часто роблять заміну: .
Величина (або ) називається Електричною сталою.

Внутрішня енергія речовини. Робота і теплопередача. Види теплопередачі – Теплові явища

Фізика

Теплові явища

Внутрішня енергія речовини. Робота і теплопередача. Види теплопередачі

Тепловим рухом Називається безперервний хаотичний рух молекул у речовині. Молекули рухаються й взаємодіють, тобто мають і кінетичну, і потенціальну енергію (Wk i Wp).
Сума енергій руху і взаємодії молекул речовини називається Внутрішньою енергієюUРечовини.
При переході речовини з одного стану в інший (наприклад, з твердого в рідкий або з рідкого в газоподібний) внутрішня енергія змінюється, тому має назву Функції стану Речовини.
Зміна внутрішньої енергії речовини може відбуватись механічним способом – шляхом здійснення роботи над нею. Приклади: нагрівання повітря у велосипедній камері при його нагнітанні насосом; нагрівання цвяха при ударах по ньому молотка, нагрівання свердла і токарного різця. Але можна змінити внутрішню енергію речовини і тепловим способом – шляхом теплопередачі. Приклади: внаслідок дотику двох неоднаково нагрітих тіл 1 і 2 одне з них нагрівається (), а друге охолоджується ().
Для зручності зміну деякої фізичної величини будемо позначати грецькою буквою “∆” (дельта), при цьому попередні нерівності набудуть вигляду та .
Можливі такі види теплопередачі.
1. Теплопровідність (або при безпосередньому дотику двох тіл різної температури, або через шар повітря між ними). Така теплопередача здійснюється завдяки хаотичному руху молекул.
2. Конвекція – це теплопередача, зумовлена напрямленим рухом шарів (струменів) газу чи рідини від нагрітого тіла. Так діє обігрівальна батарея в кімнаті: теплі шари повітря від неї за рахунок виштовхувальної сили підіймаються, перемішуючись із менш нагрітими шарами повітря.
3. Променистий теплообмін здійснюється електромагнітними хвилями (шляхом теплового випромінювання). Таким способом теплопередача може відбуватись і через безповітряний простір (зокрема, від Сонця).

Архімедова сила. Умови плавання тіл – Тиск твердих тіл, рідин, газів

Фізика

Тиск твердих тіл, рідин, газів

Архімедова сила. Умови плавання тіл

Відповідно до закону Паскаля, сили тиску з боку рідини діють як на бічну поверхню зануреного тіла, так і на обидві його основи. Сили атмосферного тиску, які однаково додаються до всіх гідростатичних сил, зрівноважуються.
Якби тіло було занурене в рідину так, що його верхня частина була б на одному рівні з вільною поверхнею рідини (а), то сила гідростатичного тиску діяла б лише на основу (адже сили тиску на бічні ділянки поверхні тіла взаємно компенсуються). Ця сила, напрямлена вертикально вгору, називається Виштовхувальною силою, або Силою Архімеда (на честь грецького вченого) і чисельно дорівнює вазі P стовпчика рідини (висотою h і площею S), тобто вазі рідини в об’ємі зануреної в рідину частини тіла (б):
.

Якщо занурене в рідину тіло однорідне і має правильну форму, наприклад циліндричну чи кулясту, то сила тяжіння і сила Архімеда прикладені в спільній точці, яка збігається з центром симетріїтіла. На рисунку (а) зображено неоднорідне тіло, яке при зануренні в рідину зайняло місце в просторі, де до цього знаходилася рідина (б). На позначений пунктиром елемент рідини діяли сила тяжіння і сила Архімеда , прикладені в спільній точці С1, яка відповідає центру симетрії цього елемента. На розглядуване тіло (а) сила Архімеда діє (на відміну від сили ) не в точці С, а в точці D, яку називають центром тиску.

Отже, у загальному випадку Закон Архімеда можна сформулювати так: на занурене в рідину (або в газ) тіло діє виштовхувальна сила (сила Архімеда), яка чисельно дорівнює вазі витісненої тілом рідини (або газу) і прикладена в центрі тиску.
Якщо , де – сила тяжіння, то тіло в рідині тоне. Якщо , тіло спливає (різницю називають Підіймальною силою), а якщо , тіло плаває (всередині рідини чи на її поверхні).

Питома теплоємність речовин – Теплові явища

Фізика

Теплові явища

Питома теплоємність речовин

Чим більша маса речовини, що нагрівається, і чим більшої зміни температури треба досягти, тим більше треба підвести тепла до речовини. Для різних речовин однакової маси m для досягнення однакових змін температури ∆t потрібна різна кількість теплоти: Q = cm∆t.
Коефіцієнт c (від англ. capacity – місткість, ємність) має назву Питомої теплоємності:
.
У СІ однією з основних є одиниця температури не за шкалою Цельсія, а за шкалою Кельвіна. Ціна поділки в обох шкалах однакова, зміна температури ∆t за шкалою Цельсія чисельно дорівнює зміні температури ∆Т за шкалою Кельвіна. Враховуючи це, за шкалою Цельсія будемо виражати тільки окремі температури (наприклад t1 i t2), а різниці температур будемо позначати не ∆t, а ∆Т. Відповідно і в комбінованих одиницях вимірювання теплових фізичних величин повинен фігурувати кельвін (К), а не градус (°С).
Отже: .
Таким чином, питома теплоємність с чисельно дорівнює кількості теплоти, яку одержує чи віддає 1 кг речовини при зміні його температури на 1 К.
Дуже велике значення c у води (, майже у 5 разів більше, ніж у багатьох металів). Цим пояснюється м’який клімат приморських місцевостей (влітку вода поглинає багато теплової енергії при своєму нагріванні, тож вона й віддає багато тепла навкіллю при охолодженні пізньої осені чи навіть взимку).

Потенціал. Різниця потенціалів. Напруга. Зв’язок між напругою і напруженістю – Електростатика

Фізика

Електростатика

Потенціал. Різниця потенціалів. Напруга. Зв’язок між напругою і напруженістю

Потенціал деякої точки електростатичного поля (тобто поля, створеного нерухомим зарядом) – це енергетична характеристика, характеристика “роботоспроможності” поля:
, .
Потенціал чисельно дорівнює значенню потенціальної енергії одиничного пробного заряду в даній точці поля.
Нехай у точках поля 1 і 2 потенціали дорівнюють відповідно і . Різниця потенціалів цих точок (напруга U між ними):, тобто напруга між точками 1 і 2 чисельно дорівнює роботі електростатичного поля з перенесення одиничного пробного заряду з точки 1 у точку 2.
Між модулем напруженості та різницею потенціалів (або напругою) існує пропорційність. Для однорідного електростатичного поля (наприклад, поля конденсатора): . Отже, одиниця вимірювання E не лише , але й .

Прискорення вільного падіння – Кінематика

Фізика

Кінематика

Прискорення вільного падіння

Прискорення, якого набуває вільна матеріальна точка під дією сили тяжіння, називається Прискоренням вільного падіння. У різних точках Землі напрями і модулі цього прискорення різні: максимальне значення g на полюсах (), мінімальне – на екваторі ().

Ядерні реакції та їхній енергетичний вихід – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Ядерні реакції та їхній енергетичний вихід

Ядерні реакції – це зміни (перебудова) ядер під час їх взаємодії одне з одним чи з іншими частинками. Приклад 1: якесь ядро поглинає бомбардуючу частинку, у результаті чого утворюється нове ядро, масивніше за вихідне: . Приклад 2: результатом поглинання ядром бомбардуючої частинки є не тільки утворення масивнішого ядра, а й випускання однієї чи кількох частинок меншої маси:
У процесі ядерних (як і хімічних) реакцій може відбуватись або виділення, або поглинання енергії. Енергетичний вихід реакції розраховується на підставі закону збереження енергії і закону взаємозв’язку енергії і маси. Для цього треба визначити масу ядер і частинок до реакції і після реакції , знайти зміну маси і зміну енергії.
За допомогою графіка можна заздалегідь визначити, які реакції протікатимуть із виділенням енергії, а які з поглинанням.

Магнітне поле струму. Постійні магніти – Електромагнітні явища

Фізика

Електромагнітні явища

Магнітне поле струму. Постійні магніти

Навколо нерухомих електричних зарядів існує електричне поле, а навколо рухомих зарядів (поодиноких, чи величезної їх кількості у провідниках зі струмом) існує магнітне поле. Наявність магнітного поля навколо провідника зі струмом виявляється магнітною стрілкою (стрілкою компаса), яка змінює свою орієнтацію поблизу провідника зі струмом (а). Ця орієнтація залежить від напряму струму. Наявність магнітного поля можна виявити також за допомогою залізних ошурок на аркуші картону, який перетинається провідником із струмом (б).

Магнітне поле виявляється не тільки навколо провідників із струмом, а й навколо природних магнітів, наприклад шматків залізної руди. Шматок заліза, контактуючи з природним магнітом, теж набуває магнітних властивостей.
Тіла із заліза чи деяких сполук на його основі (у природному стані, як шматки руди, чи внаслідок спеціальної обробки), які виявляють протягом тривалого часу магнітні властивості, називаються Постійними магнітами. Крім заліза і деяких сталей, здатність сильно намагнічуватись мають також нікель і кобальт.
Намагніченість постійних магнітів теж пов’язана зі струмами (мікрострумами в атомах; такі струми являють собою рух електронів в атомах навколо їх ядер).

Механічний рух. Рівномірний рух. Швидкість – Взаємодія тіл

Фізика

Взаємодія тіл

Механічний рух. Рівномірний рух. Швидкість

Механічним рухом тіла називається зміна положення тіла в просторі.
Важливими характеристиками руху тіла є траєкторія і шлях.
Траєкторією руху тіла називається лінія в просторі, вздовж якої рухається тіло.
ШляхS – це відстань, пройдена тілом уздовж траєкторії за час t. (Час t можна розглядати як суму кількох довільних проміжків часу:, а шлях s – як суму відрізків шляху, пройдених за ці проміжки часу: .)
Найпростіші рухи – прямолінійні рівномірні.
Рух називається Прямолінійним, якщо траєкторією руху тіла є пряма лінія.
Рух називається Рівномірним, якщо за будь-які однакові проміжки часу тіло проходить однакові відрізки шляху.
Різні тіла (наприклад, пішохід, велосипедист, мотоцикліст), рухаючись із різною бистротою, долають один і той самий шлях за різний час.
Для порівняння різних рухів за їх темпом (за їх бистротою) користуються фізичною величиною, що називається Швидкістю (від англ. velocity).
Швидкість чисельно дорівнює відношенню шляху, пройденого тілом, до часу руху: . (Тобто Швидкість – це шлях, пройдений тілом за одиницю часу.)
В інтернаціональній системі одиниць вимірювання фізичних величин (СІ) час вимірюється в секундах, а шлях – у метрах. Отже, швидкість вимірюється в метрах за секунду,.
Очевидно, що у випадку рівномірного руху . (Ці відношення однакові, швидкість стала.)
Таким чином, можна навести ще одне визначення рівномірного руху тіла як руху зі сталою швидкістю.

Прості механізми – Робота і потужність. Енергія

Фізика

Робота і потужність. Енергія

Прості механізми

У механіці слово “робота” вживається не тільки як назва фізичної характеристики, а й як назва механічного процесу, що відбувається під дією сили (при цьому виконується робота).
Існують різні пристрої, які дозволяють: 1) виконувати роботу за умови прикладання до тіла порівняно невеликої сили; 2) змінювати напрям дії сили на більш зручний для людини. Усі зазначені механізми називаються Простими. Приклади для першого випадку: похила площина (а); клин (одна похила площина чи складені основами одна до одної дві похилі площини, б); гвинт (зокрема як основна частина домкрата, тобто механічного підіймальника, в); важіль (г). Приклади для другого випадку: блок (д) і його

різновид – коловорот (е), які дозволяють змінювати напрям дії сили.
Жоден із простих механізмів не дає виграшу в роботі: виграш у силі супроводжується програшем у відстані, отже добуток цих величин не змінюється. Висновок – у скільки разів виграємо в силі, у стільки ж разів програємо у відстані – має назву “Золотого” правила механіки, хоча в дійсності воно точно реалізується лише при рівномірному русі без тертя.

Умова рівноваги важеля

Звичайно важіль являє собою стрижень, який може обертатися навколо опори (точка О) або закріпленої нерухомо осі. На рисунку зображено лабораторний важіль у вигляді лінійки, через центр якої проходить горизонтальна вісь. Тягарці, набори яких відрізняються удвічі за загальною вагою, підвішені до важеля на різних відстанях ліворуч і праворуч від осі (ці відстані відрізняються теж удвічі), тобто , звідки ; і – плечі сил і .

Плече сили – це найкоротша відстань від лінії дії сили до осі чи до точки обертання.
Момент силиM – це добуток значення сили на її плече:
; (не джоуль!).
Момент викликає обертання важеля у напрямку руху годинникової стрілки, момент – у протилежному. Важіль знаходиться у рівновазі, якщо момент сили, який обертає важіль за годинниковою стрілкою, дорівнює моменту сили, який обертає важіль проти годинникової стрілки.

Принцип відносності Ейнштейна. Швидкість світла у вакуумі – Елементи теорії відносності

Фізика

Елементи теорії відносності

Принцип відносності Ейнштейна. Швидкість світла у вакуумі

Перша частина принципу Ейнштейна – узагальнення принципу Галілея (див. 8 кл.): замість слів “механічні досліди”, “механічні процеси і явища” треба говорити “фізичні…”. Ейнштейн доповнив таке узагальнене формулювання дуже важливим постулатом (твердженням без доказу): швидкість світла у вакуумі не залежить від швидкості руху ні джерела світла, ні приймача, тобто є константою (). Це значення швидкості є максимально можливим значенням швидкості руху тіл чи частинок, а також максимально можливою швидкістю передачі сигналів.

Рівняння теплового балансу – Термодинаміка

Фізика

Термодинаміка

Рівняння теплового балансу

Тепловим балансом у замкненій системі тіл при теплообміні між ними називається однаковість сум кількостей теплоти, що віддаються більш нагрітими тілами менш нагрітим, і кількостей теплоти, одержаних останніми.
Приклад: у чашку з водою, у яку занурено ложечку, долили більш гарячої води. Ця вода, охолоджуючись до деякої температури, спільної для всієї даної системи у стані рівноваги, віддає кількість теплоти Q, при цьому вода в чашці отримує кількість теплоти , ложка – . Отже: .
У розгорнутому вигляді кожен член рівняння записується як добуток питомої теплоємності, маси і зміни температури для кожного з тіл системи.

Магнітне поле Землі – Електромагнітні явища

Фізика

Електромагнітні явища

Магнітне поле Землі

З давніх-давен люди знали, що Земля орієнтує в певному напрямі стрижні-стрілочки, виготовлені з магнітної руди. Найперші своєрідні компаси для географічного орієнтування виготовлялись у Китаї приблизно за 1100 років до нашої ери і встановлювались на колісницях.
Земля являє собою велетенський магніт. Ділянку в Північній півкулі Землі, до якої звернений один із кінців магнітної стрілки, назвали Південним магнітним полюсом Землі S, протилежну ділянку – Північним магнітним полюсом N.
Кінець стрілки, звернутий до S (приблизно на північ Землі), називається північним кінцем стрілки N, протилежний – південним кінцем стрілки S. Магнітні полюси зсунуті відносно географічних полюсів і з часом незначно зміщуються.

Основною причиною земного магнетизму є так звані конвекційні струми у розплавленому земному ядрі. На це магнітне поле накладаються магнітні поля, що створюються космічними променями, а особливо випромінюванням Сонця (“сонячним вітром”).

Поділ ядер урану. Ланцюгова реакція – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Поділ ядер урану. Ланцюгова реакція

Поглинувши нейтрон, ядро Урану видовжується, розпадається на два фрагменти (осколки, дочірні ядра), з яких вилітають 2-3 нейтрони. Деякі з них у свою чергу ділять інші ядра Урану і т. д. (розвивається ланцюгова реакція поділу). Тільки у випадку протікання такої реакції енерговиділення будуть великими. Вперше таку реакцію здійснили в атомному реакторі.
Приклад реакції поділу ядра:
.


Сфера використання поділу ядер Урану: атомна енергетика (атомні електростанції), транспорт (двигуни криголамів і підводних човнів).

Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла. Фотон – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Корпускулярно-хвильовий дуалізм світла. Фотон

Світло завжди має двоїсту природу, але в одних явищах (інтерференція, дифракція, поляризація) чітко виявляються хвильові властивості світла, а в інших (у межах шкільної програми це фотоефект) – корпускулярні.
Треба пам’ятати, що хоча фотон і належить до числа елементарних частинок, але є частинкою не речовини, а поля (тобто це складова, або структурна, частинка електромагнітного поля). Тривалий час у навчальній літературі містилось твердження, що фотону властива маса руху, але він не має маси спокою. У сучасній трактовці теорії відносності відбулись важливі зміни, які в багатьох навчальних посібниках, на жаль, ще не висвітлено. Тепер, по-перше, маса тіла чи частинки вважається інваріантом, тобто не залежить від їх швидкості (отже, зникла диференціація маси на масу спокою і масу руху); по-друге, фотон розглядається як безмасова частинка.
Фотон, як і всі елементарні частинки, має імпульс (кількість руху), але імпульс фотона виражається не через масу, а через енергію .

Перший закон Ньютона. Інерціальна система відліку – Динаміка

Фізика

Динаміка

Динаміка – це аналітичний розділ механіки, в якому з’ясовуються причини характеру руху тіл. (Основні поняття динаміки – інерція, маса, сила, гравітація, енергія, потужність).
В основі динаміки лежать три закони, названі законами Ньютона.

Перший закон Ньютона. Інерціальна система відліку

Перший закон Ньютона (закон інерції) формулюється так: будь-яке тіло зберігає свій початковий стан відносного спокою або прямолінійного рівномірного руху, доки зовнішні тіла не виведуть його з цього стану.
Однак є й інше формулювання першого закону, пов’язане з поняттям Інерціальної системи відліку – системи, тіло відліку якої знаходиться у спокої або рухається з : існують системи відліку, названі інерціальними, відносно яких тіло, на яке не діють інші тіла чи зовнішні дії взаємно зкомпенсовані, знаходиться у стані спокою або рухається без прискорення.

Електричний струм. Струм у металах – Електричні явища

Фізика

Електричні явища

Електричний струм. Струм у металах

Електричний струм – це процес упорядкованого (спрямованого) руху заряджених частинок.
Найбільш відомі струми в металах. Метал має кристалічну гратку, утворену позитивними іонами (атомами, від яких зовнішні електрони відокремились і стали “вільними” в межах шматка металу). Упорядкований рух у металі “вільних” електронів під дією зовнішнього електричного поля і являє собою струм у металі.
При відсутності зовнішнього електричного поля рух вільних електронів нагадує хаотичний рух молекул ідеального газу (а).
Під впливом електричного поля джерела струму електрони, продовжуючи хаотичний рух, напрямлено дрейфують. Результуючий рух електрона між точками А і В (б), незважаючи на незникаючу хаотичність руху, є спрямованим.

Отже, Електричний струм у металі – це упорядкований (чи спрямований) рух “вільних” електронів під впливом електричного поля.

Дія магнітного поля на провідник зі струмом – Електромагнітні явища

Фізика

Електромагнітні явища

Дія магнітного поля на провідник зі струмом

Якщо між полюсами магніту підвісити провідник із струмом, то провідник виштовхується з магнітного поля або втягується в нього, в залежності від напряму струму. Рух провідника є наслідком взаємодії магнітного поля постійного магніту з магнітним полем струму. Сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, називається силою Ампера.
Напрям сили Ампера зручно визначати за “правилом лівої руки”: кисть лівої руки розташовують паралельно торцям магнітів N і S так, щоб долоня була звернута до магніту N. Чотири пальці орієнтують у напрямі струму в ділянці AB, тоді відставлений великий палець покаже шуканий напрям.

Значний практичний інтерес має дія магнітного поля на дротяну рамку зі струмом (саме цей ефект використовується у вимірювальних приладах магніто-електричної системи і в електродвигунах). У випадку рамки зі струмом, вертикально підвішеної між полюсами магніту, сили Ампера утворюють пару сил, яка обертає рамку. Найстійкіше положення рамки, коли її площина паралельна торцям магніту, а найнестійкіше – коли ця площина перпендикулярна до торців.

Електричний резонанс. Трансформатор – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Електричний резонанс. Трансформатор

Резонансом у коливальному контурі називається різке зростання амплітуди вимушених електричних коливань у разі збігу частоти зовнішньої змінної напруги із частотою власних коливань у контурі .
Чим менший опір контуру, тим вища резонансна крива. Якщо , то .

Трансформатори напруги – це пристрої для зміни напруги: зменшення (знижувальні трансформатори) або збільшення (підвищувальні трансформатори). Дія трансформаторів заснована на взаємній індукції – окремому випадку електромагнітної індукції.

ЕРС індукції наводиться у кожному витку, тому чим більше витків у вторинній котушці, тим більша напруга наводиться в ній. Якщо число витків у первинній котушці () більше, ніж у вторинній (), то трансформатор знижує напругу, і навпаки.
Відношення – коефіцієнт трансформації.
Якщо , то трансформатор знижувальний, а якщо – підвищувальний.

Рух тіла з початковою швидкістю під дією сили тяжіння – Динаміка

Фізика

Динаміка

Рух тіла з початковою швидкістю під дією сили тяжіння

Необхідно розглянути два різні випадки.
1. Тіло кинули горизонтально на деякій висоті h над поверхнею Землі. Приклади: м’ячик, горизонтально кинутий з парашутної вежі; вантаж, скинутий для геологів з літака, що здійснював горизонтальний політ.

Треба знайти дальність польоту (відстань). У вертикальному напрямі , отже , звідки . Тепер виразимо L:
,.
Траєкторія руху – парабола (якщо нехтувати опором повітря).
2. Тіло кинули під кутом α до горизонту. Як приклад зручно розглядати задачу балістики (зокрема – стрільбу з гармати).
Траєкторія руху нагадує дві зістиковані траєкторії з попередньої задачі (немов би з точки A тіло кидали то вправо, то вліво). Отже, дальність польоту: (якщо нехтувати опором повітря).

З рівняння знайдемо висоту підіймання h: ; ; .

Кванти світла – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Кванти світла

У 1900 р. німецький фізик Макс Планк висловив ідею щодо квантованої (дискретної, цілком певними порціями, або квантами) зміни енергії елементарного випромінювача світла. На думку Планка, квантованість притаманна випромінюючій речовині, а не світлу. Але в 1905 р. Альберт Ейнштейн при поясненні законів фотоефекту дійшов висновку, що квантові властивості має світло, а не речовина. Світло можна розглядати як сукупність Світлових частинок (квантів світла), енергія кожної з яких, за формулою Планка, прямо пропорційна частоті коливань у світловій хвилі: ∼ν, = = h. Коефіцієнт пропорційності називається Сталою Планка.
Пізніше квант світла (як і квант будь-якого електромагнітного випромінювання) почали називати Фотоном.

Графіки залежності кінематичних величин від часу в рівномірному і рівноприскореному рухах – Кінематика

Фізика

Кінематика

Графіки залежності кінематичних величин від часу в рівномірному і рівноприскореному рухах

Рівномірний рух

Рівноприскорений рух

Другий закон Ньютона. Додавання сил – Динаміка

Фізика

Динаміка

Другий закон Ньютона. Додавання сил

Дослідним шляхом виявлено: прискорення тіла за модулем прямо пропорційне модулю сили, що діє на тіло, і обернено пропорційно масі тіла (тобто , ), а за напрямком збігається з напрямком сили: ||, тобто. У цьому й полягає сутність другого закону Ньютона.
У 7 класі розглядається додавання сил і наводиться поняття рівнодійної сил, які діють в одному напрямі. Узагальнене правило додавання сил як векторів, напрями яких різні, ілюструє дослід, схему якого зображено на рисунку.

Отже, правило додавання сил: вектор, який зображує силу, що дорівнює геометричній сумі двох сил, є діагоналлю паралелограма, побудованого на цих силах як на його сторонах.
Якщо треба знайти суму не двох, а більшого числа векторів, то спочатку обчислюють суму двох із них, а потім до одержаної суми додають ще один вектор і т. д.

Електромагнітні коливання. Вільні електромагнітні коливання в коливальному контурі. Власна частота коливання – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Електромагнітні коливання. Вільні електромагнітні коливання в коливальному контурі. Власна частота коливання

Будь-які Коливання в системах – це процеси з багаторазовим періодичним повторенням певних станів системи. Крім механічних, можуть реалізовуватись коливання особливого типу, які називаються електромагнітними (чи просто електричними).
Електромагнітні коливання – це періодичні перетворення енергії електричного поля на енергію магнітного поля і навпаки, які супроводжуються повторюваною зміною параметрів електричного кола (заряду, напруги, сили струму). Електричне коло, в якому можуть відбуватись такі перетворення енергії, називається Коливальним контуром.
Найпростіший контур складається зі з’єднаних між собою конденсатора і дротяної котушки (котушки індуктивності). Доцільно порівняти коливання в контурі з коливаннями математичного маятника:

У стані (а) конденсатор має початковий запас електричної енергії, а математичний маятник – початковий запас потенціальної енергії.
У стані (б) конденсатор розряджений, а нитка маятника вертикальна; при цьому енергія електричного поля конденсатора перетворилася на енергію магнітного поля котушки, а потенціальна енергія маятника – на кінетичну енергію.
Стан (в) механічного маятника утворюється внаслідок руху кульки маятника завдяки інерції, а у випадку контуру – внаслідок явища електромагнітної індукції (магнітне поле котушки, зменшуючись, індукувало електричне поле конденсатора, заряди пластин якого мають протилежну порівняно зі станом (а) полярність.
У стані (в) закінчується половина першого коливання, процеси другої половини () відбуваються аналогічно процесам (), але у зворотній послідовності. Стан (д) повністю збігається зі станом (а) і на рисунку не зображений.
Очевидно, що чим більше значення ємності C, тим довше розряджається конденсатор; чим більше значення індуктивності L, тим довше котушка втрачає магнітне поле. Отже, обидві величини знаходяться тільки в чисельнику під знаком кореня (на відміну від формул періода Т механічних маятників): . Це Формула Томсона (лорда Кельвіна), яка аналогічна формулі періоду коливань пружинного маятника: адже , а величина, обернена жорсткості (піддатливість, м’якість), аналогічна ємності: .
Власна частота коливання .

Математичний і пружинний маятники. Періоди їх коливань – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Математичний і пружинний маятники. Періоди їх коливань

Математичний маятник – тіло типу матеріальної точки, підвішене на довгій невагомій нерозтяжній нитці (а).
При відхиленні нитки від вертикального положення система нитка–тягарець може здійснювати коливання у вертикальній площині. Коливання відбуваються під дією повертаючої сили , яка є складовою сили тяжіння .
Значення періоду T тим більше, чим більша довжина маятника l (тягарець на довгій нитці коливається “не поспішаючи”). Числове значення T визначається також значенням прискорення, що його надає тілу сила тяжіння (отже, значення T на Землі і Місяці відрізняються).
Період коливань математичного маятника .
Пружинний маятник (б) складається з тягарця масою m, з’єднаного з пружиною жорсткістю k. Якщо зовнішньою силою вивести систему з положення рівноваги, вона може коливатися відносно положенняO.
Період коливань пружинного маятника.

Коливання такого маятника відбувається під дією сили пружності, отже, на відміну від математичного, пружинний маятник може бути розташований і горизонтально.

Поширення коливань у пружних середовищах. Поперечні та поздовжні хвилі та їхні характеристики – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Поширення коливань у пружних середовищах. Поперечні та поздовжні хвилі та їхні характеристики

Коливання – це процес, який протягом тривалого часу локалізується у деякій ділянці простору, а Хвиля – коливний процес, який безперервно переходить з однієї ділянки простору до іншої.
Отже, хвиля – це процес поширення коливань у просторі. Механічна хвиля – це поширення деформацій пружних се-редовищ.
Хвильовий процес, крім характеристик, притаманних і коливанням (період, частота, фаза, амплітуда), має специфічну характеристику – довжину хвилі (“ламбда”). Довжина хвилі – це відстань, яку проходить хвиля за час, що дорівнює одному періоду. Інакше кажучи: – це відстань між найближчими точками середовища, що коливаються в однакових фазах.

Швидкість хвилі, звідси .
Хвиля називається Поперечною, якщо напрямок, у якому коливання відбуваються, і напрямок, у якому вони поширюються, взаємно перпендикулярні (а), Поздовжньою – якщо ці напрямки паралельні (б).

Поперечні хвилі бувають лише в твердих тілах, поздовжні (хвилі стиснення–розрідження) – у газах, рідинах, твердих тілах.
На поверхні рідин можуть утворюватися хвилі, що нагадують поперечні (наприклад, колові хвилі на воді від каменя), але вони обумовлені в основному силою тяжіння.

Робота і потужність. Енергія. Робота сили, що діє у напрямі руху тіла – Робота і потужність. Енергія

Фізика

Робота і потужність. Енергія

Робота і потужність. Енергія. Робота сили, що діє у напрямі руху тіла

Фізична величина, що має назву роботи, є характеристикою рухаючої дії сили. Якщо під дією сили F тіло змістилось на відстань s у напрямі дії сили, то РоботаA (від нім. arbeit) чисельно дорівнює добутку значення сили на шлях s: .
Одиниця роботи – джоуль (на честь англійського вченого Дж. Джоуля), .

Бистроту здійснення роботи характеризує Потужність, яка позначається N або P (від англ. power): , тобто потужність P чисельно дорівнює роботі, що виконується протягом секунди.
=Дж/с (ват – на честь шотландського фізика Дж. Уатта (Ватта)).

Властивості поверхні рідини. Поверхневий натяг – Молекулярна фізика

Фізика

Молекулярна фізика

Властивості поверхні рідини. Поверхневий натяг

Поверхневий шар рідини відрізняється від внутрішніх шарів тим, що його молекули з одного боку мають зовсім інших сусідів, ніж молекули інших шарів.

На межі з повітрям рідина має вільну поверхню, по якій молекули рідини контактують з нечисленними молекулами повітря. Дії молекул інших шарів рідини на молекулу якогось внутрішнього шару скомпенсовані, а на молекулу поверхневого шару – ні. Завдяки результуючим силам молекули внутрішніх шарів тягнуть униз молекули поверхневого шару, створюючи таким чином поверхневий натяг.
Сила поверхневого натягу прямо пропорційна довжині l границі рідини з іншою речовиною: ; . Коефіцієнт називають Поверхневим натягом. Якщо границя контакту не лінійна, то , де – поверхнева енергія, S – площа контакту. .

Електроємність. Конденсатор. З’єднання конденсаторів – Електростатика

Фізика

Електростатика

Електроємність. Конденсатор. З’єднання конденсаторів

Ємністю одного зарядженого провідника називають величину . У випадку двох провідників ; (фарад).
Ємність одного провідника мала. Для збільшення ємності провідника до нього наближають інший провідник, а між ними розташовують діелектрик. Така система називається Конденсатором (Накопичувачем).
Існують конденсатори з обкладками різної геометричної форми (плоскі, сферичні, циліндричні). Формула ємності плоского конденсатора , де S – площа однієї пластини, d – відстань між пластинами.
Часто використовують не окремі конденсатори, а кілька з’єднаних між собою.
1) Паралельне з’єднання конденсаторів дозволяє одержати великі ємності:
, , .

2) Послідовне з’єднання:
, , .

Електромагнітні випромінювання різних діапазонів – Хвильова оптика

Фізика

Хвильова оптика

Електромагнітні випромінювання різних діапазонів

Електромагнітні хвилі характеризуються дуже широким діапазоном довжин хвиль: від крихітних часток метра ( м) до десятків і сотень тисяч кілометрів. Електромагнітні хвилі, які відповідають різним ділянкам цього діапазону, можна одержати у різний спосіб. Крім спільних властивостей (відбивання, заломлення, інтерференції, дифракції) електромагнітні хвилі мають також індивідуальні властивості. Виходячи з цього, весь діапазон електромагнітних хвиль підрозділяють на окремі ділянки і зображують у вигляді шкали – від радіохвиль до -променів.

Радіохвилі підрозділяються на окремі ділянки, починаючи з довгих хвиль (кілометрових і навіть більше) і закінчуючи короткими та ультракороткими хвилями.
Електромагнітні хвилі, дія яких на сітківку ока людини створює здорові відчуття, називаються Видимим світлом.
На відміну від звукових коливань, які сприймає людське вухо, видиме світло характеризується дуже вузьким діапазоном: від нм (довгохвильова межа червоного світла) до нм (коротко-хвильова межа фіолетового світла).
Оскільки межі діапазону звукових хвиль прийнято характеризувати частотами (), то слід навести для порівняння у частотах і межі світлового діапазону: .
З боку довгих хвиль до ділянки видимого світла прилягає ділянка Інфрачервоного випромінювання. Це невидиме випромінювання порівняно малої енергії, що має дуже слабку проникну здатність і чинить теплову дію на речовини.
З боку коротких хвиль до ділянки видимого світла прилягає ділянка Ультрафіолетового випромінювання.
Рентгенівським променям і γ-Променям, завдяки їх великій енергії, притаманна здатність проникати у речовину, що зумовлює їх застосування у медицині (для рентгеноскопії внутрішніх органів людини, дефектоскопії конструкційних матеріалів та виробів із них); γ-промені використовуються також для дефектоскопії та для пригнічення росту аномальних клітин.
Усі ділянки шкали електромагнітних хвиль не мають чітких розмежувань, спостерігається їх перекривання одна одною.

Сила тяжіння – Динаміка

Фізика

Динаміка

Сила тяжіння

У російській мові розрізняються поняття “сила тяготения” і “сила тяжести”, в українській мові в обох випадках говорять “сила тяжіння”, тож повну силу земного тяжіння краще називати силою земної гравітації, а для позначення її складової залишити традиційну назву “сила тяжіння”.
На середніх географічних широтах частина сили земної гравітації відіграє роль доцентрової сили , забезпечуючи тілам на поверхні Землі добове обертання разом із планетою. Друга складова сили і є силою тяжіння , яка викликає падіння тіл, піднятих над поверхнею Землі, з прискоренням .

Отже, лише на полюсах .

Механічна робота – Динаміка

Фізика

Динаміка

Механічна робота

Нехай сила , напрямлена під кутом α до горизонту, перемістила по горизонтальній поверхні деяке тіло на відстань s. Для розрахунку роботи цієї сили розкладають вектор на дві складові: паралельну руху тіла () і перпендикулярну до руху тіла (⊥).

Роботу виконує складова, що збігається за напрямком з напрямком руху: . Отже, в загальному випадку робота визначається модулем сили, шляхом і косинусом кута α.
Таким чином, цілком формально одержимо і такий очевидний висновок: робота вертикальної сили ⊥ на шляху s дорівнює нулю, бо .

Відбивання світла. Закони відбивання – Геометрична оптика

Фізика

Геометрична оптика

Відбивання світла. Закони відбивання

В залежності від властивостей тіл і стану їх поверхні, падаюче на них світло може поглинатись, відбиватись на їх поверхні або потрапляти всередину тіл.
Відбивання буває дзеркальне, а буває дифузне (тобто розсіювання). Світло відбивається дзеркально від гладеньких поверхонь тіл (поліровані поверхні твердих тіл, поверхня води).
Кут між падаючим на дзеркало променем і перпендикуляром (нормаллю) до поверхні дзеркала, проведеним у точку падіння, називають Кутом падіння; кут γ між відбитим променем і нормаллю називають Кутом відбивання.
Закони відбивання
1) Промені падаючий 1 і відбитий 2 та перпендикуляр до межі поділу (нормаль) лежать в одній площині.
2) Кут відбивання дорівнює куту падіння: .

Звукові хвилі. Швидкість звуку – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Звукові хвилі. Швидкість звуку

У широкому розумінні Звукові хвилі – це будь-які механічні хвилі (тобто хвилі в пружних середовищах). У вузькому значенні Звук – це такі пружні хвилі, дія яких створює у людини слухові відчуття.
Більшість людей чує звуки, яким відповідають частоти коливань від 16÷20 Гц до 20 кГц. Більш низькі частоти відповідають інфразвуку, а більш високі – ультразвуку.
Швидкість звуку в речовинах визначається їх пружністю і густиною й обчислюється за формулою , де E – модуль Юнга, – густина.
Швидкість звуку мінімальна у газах (за нормальних умов у повітрі ,залежно від температури: чим більше значення T, тим більша v); максимальна у твердих тілах (у сталях ); рідини займають проміжне положення (у воді ).

Вимушені електричні коливання. Змінний струм. Генератор змінного струму – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Вимушені електричні коливання. Змінний струм. Генератор змінного струму

Як і механічні, вільні (власні) електричні коливання швидко згасають через опір у системі. Практичне використання мають вимушені електричні коливання – Змінний струм. Для такого струму характерна зміна з часом бистроти і напряму руху зарядів.

Амперметр і вольтметр у колі змінного струму вимірюють так звані діючі значення:
, .
Діючі значення характеристик змінного струму введено на підставі його теплової дії. Діюче значення сили змінного струму дорівнює силі такого постійного струму, який у деякому провіднику за деякий час виділяє таку саму кількість теплоти, як і змінний струм у тому ж провіднику за той самий час. Аналогічно вводиться поняття діючого значення напруги.
Коло змінного струму, що містить котушку індуктивності й конденсатор, має опір , де R – активний опір, X – реактивний опір; , де – індуктивний опір, – ємнісний опір.

Найпростіший Генератор змінного струму складається із дротяної рамки (ротора), яку зовнішня сила приводить в обертання у полі нерухомого магніту (статора). Під час обертання рамки змінюється магнітний потік через рамку, внаслідок чого в ній індукується змінна електрорушійна сила. Кінці рамки підведені до кілець, щільно притиснутих до контактних щіток, які знімають змінну напругу.
У процесі створення реальних генераторів змінного струму спочатку збільшували число витків, які обертаються в магнітному полі, але це призводило до пошкодження контактних ділянок унаслідок сильного іскріння. Тому в подальшому обмотку (витки) зробили статором (зникла необхідність у кільцях і щітках), а роль ротора відіграє магніт (або електромагніт).

Принципи радіотелефонного зв’язку – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Принципи радіотелефонного зв’язку

Звукові сигнали (а) для передавання по радіо (“бездротово”) перетворюють на високочастотні. Для цього на допоміжні (несучі) високочастотні коливання (б) накладають за допомогою мікрофона звукові коливання (а), в результаті амплітуда високочастотного сигналу виявляється змінюваною у такт із (а) – модульованою (в). Такі коливання випромінюються у простір антеною.

У приймальному контурі коливання виду (в) випрямляються за допомогою діода, тобто детектуються (г).
Потім конденсаторний фільтр відділяє від них високочастотну складову, а до мембрани телефону надходить низькочастотний сигнал (д), аналогічний (а).

Лінза. Основні елементи лінзи. Побудова зображень. Оптична сила лінзи – Геометрична оптика

Фізика

Геометрична оптика

Лінза. Основні елементи лінзи. Побудова зображень. Оптична сила лінзи

Лінза – це прозоре тіло, обмежене з двох боків (або з одного боку) ділянками сферичної поверхні. Лінзи бувають двоопуклі, двоувігнуті, плоско-опуклі, плоско-увігнуті та ін.
Точка, проходячи через яку промінь не змінює напряму, – Оптичний центр лінзиО.
Оптичний центр двоопуклих і двоувігнутих лінз – їх Геометричний центр. Будь-яка пряма, проведена через О, – Оптична вісь.
Оптична вісь, що проходить через центри кривизни обмежуючих лінзу поверхонь,- Головна оптична вісь.
Опуклі скляні лінзи, оточені повітрям або водою, – Збиральні, а увігнуті – Розсіювальні. Точка, в якій сходяться заломлені опуклою лінзою світлові промені, що падають паралельно головній оптичній осі, – Головний фокусF. Відстань між F і О – Фокусна відстань лінзи F.
Лінза називається тонкою, якщо її товщина значно менша за радіуси обмежуючих поверхонь.
Рекомендовані прийоми побудови зображень у лінзах такі.
Від протилежних крайніх точок A і B предмета провести по два промені:
а) паралельно головній оптичній осі. Такі промені, заломлюючись, проходять через фокус;
б) через оптичний центр. Такі промені не змінюють напрямів. Точки перетину променів, що пройшли через лінзу (точки і ), – зображення точок A і B предмета.
Якщо предмет далеко від збиральної лінзи (, де 2F – подвоєна фокусна відстань), зображення буде дійсне (з протилежного відносно предмета боку лінзи), зменшене і обернене (перевернуте).
У випадку опуклих (збиральних) лінз зміна відстані d відносно відстаней 2F і F дозволяє варіювати зображення кількісно і якісно, тобто можна отримувати дійсне зображення або уявне; збільшене, зменшене або натуральне; пряме або обернене (перевернуте). Зображення, яке дає увігнута (розсіювальна) лінза, завжди уявне, зменшене і пряме.
Величини F, d, f для збиральної лінзи пов’язані між собою формулою тонкої лінзи:. У випадку розсіювальної лінзи F і f від’ємні.


Величина, обернена фокусній відстані, називається Оптичною силою Лінзи: . Дптр (діоптрія); дптр = м-1. Оптична сила збиральної лінзи додатна, а розсіювальної лінзи – від’ємна.

Тиск світла. Досліди Лебедєва – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Тиск світла. Досліди Лебедєва

Фотон, маючи енергію hn, має й імпульс (кількість руху): , , . Поглинаючись перешкодою або відбиваючись від неї, фотони передають перешкоді імпульс, створюючи тиск на неї (як і молекули газу).
Уперше тиск світла виміряв у 1899 р. російський фізик П. М. Лебедєв за допомогою підвішеної у вакуумі на тонкій кварцовій нитці легкої “крильчатки”, одне крильце якої було відбиваючим (дзеркало), інше – поглинаючим (зачорненим).
Тиск світла на відбиваюче крильце був удвічі більшим, ніж на поглинаюче (у першому випадку під час падіння-відбивання перешкода одержує імпульс , у другому – тільки ).
Тиск світла в звичайних умовах дуже малий: близько 4,5 мкПа (атмосферний тиск дорівнює 100 кПа). Його вимірювання утруднялося ще й тим, що молекули газів, які ще залишилися у відкачаній колбі, створювали на крильця тиск, набагато більший за тиск світла. Однак Лебедєву вдалося досить точно (як показали пізніше інші дослідники) виміряти тиск світла.

Тиск світла не завжди малий: у надрах зірок, де внаслідок термоядерних реакцій виділяється величезна енергія, тиск випромінювання дуже великий.

Одержання та використання радіоактивних ізотопів – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Одержання та використання радіоактивних ізотопів

У 1932 р. французькі фізики Ірен і Фредерік Жоліо-Кюрі першими штучно одержали радіоактивні речовини, бомбардуючи -частинками нерадіоактивні речовини. Приклад: , тобто утворився нестійкий (радіоактивний) фосфор. Принципової різниці між природною і штучною радіоактивністю немає. Для штучно одержаних радіоактивних ізотопів властиві всі процеси, що ведуть до утворення – і -частинок та -променів.
Сфера застосування радіоактивних ізотопів дуже широка: біологія, хімія, медицина, металургія, дефектоскопія та ін.

Гравітаційні сили. Закон всесвітнього тяжіння – Динаміка

Фізика

Динаміка

Гравітаційні сили. Закон всесвітнього тяжіння

Про гравітацію як універсальне явище вже говорилося раніше. Закон всесвітнього тяжіння: , тобто дві матеріальні точки притягаються одна до одної з силами, модуль кожної з яких прямо пропорційний масам цих точок і обернено пропорційний квадрату відстані між ними.
Коефіцієнт пропорційності називається Гравітаційною сталою, тобто (на відміну від, наприклад, прискорення g) значення коефіцієнта G однакове на Землі, Місяці і т. д.

Закон Ома для ділянки електричного кола – Електричні явища

Фізика

Електричні явища

Закон Ома для ділянки електричного кола

Найпростіше електричне коло може складатися з джерела струму, споживача опору R, з’єднувальних провідників, амперметра і вольтметра.
Закон Ома для ділянки електричного кола: на деякій ділянці кола сила струму I прямо пропорційна напрузі U і обернено пропорційна опору R ділянки:
.

Методи реєстрації іонізуючих випромінювань – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Методи реєстрації іонізуючих випромінювань

Окремі мікрочастинки (електрони, протони, -частинки) настільки малі, що спостерігати їх не вдається навіть за допомогою електронного мікроскопа. Але фізики навчились одержувати інформацію і щодо таких частинок: розробили спеціальні непрямі методи дослідження і сконструювали спеціальні прилади, дія більшості з яких базується на здатності мікрочастинок іонізувати атоми чи молекули речовини, через яку вони проходять. Тому і йдеться про іонізуючі випромінювання, хоча можна говорити й конкретніше: методи спостереження і реєстрації елементарних частинок.
Залежно від мети експерименту (просто підрахувати число частинок, які надходять до реєструючого пристрою, чи визначити, які саме ці частинки), використовують або лічильники іонізуючих частинок, або трекові камери.
Найпростіший із пристроїв першого типу (що використовувався в експериментах у лабораторії Резерфорда) – спінтарископ (а). Альфа-частинки, що вилітають із нанесеної на вістря 1 радіоактивної речовини, потрапляють на вкритий сірчистим цинком екран 2 і викликають окремі спалахи свічення (сцинтиляції), які можна спостерігати через лінзу 3. Підрахунок спалахів виконував експериментатор.

Лічильник Гейгера (б) складається з наповненої аргоном трубки 2. Дослі-джувана частинка пролітає через неї, іонізує газ, замикаючи коло між катодом 3 і анодом 1, і створює імпульс напруги на навантаженні (резисторі R).
Камера Вільсона (в) являє собою циліндр із поршнем, заповнений сумішшю газу (аргон або азот) з насиченою парою води або спирту. Перед дослідженням розширюють газ поршнем, переохолоджуючи пару. Досліджувана частинка пролітає крізь камеру, іонізує атоми газу, на яких конденсується пара, створюючи краплинний трек (слід).
Дональд Глезер сконструював бульбашкову камеру, в якій можна досліджувати частинки значно більшої енергії, ніж у камері Вільсона, бо густина робочої речовини камери Глезера (зріджені пропан або водень) значно більша за густину робочої речовини камери Вільсона. У перегрітій перед дослідженням (шляхом миттєвого зменшення тиску) рідині досліджувана частинка створює бульбашковий трек.

Л. В. Мисовський і А. П. Жданов розробили метод товстошарових фотоемульсій. Швидка заряджена частинка, пронизуючи кристалик AgBr фотоемульсії, відриває електрони від атомів Br. Ланцюжок таких кристаликів утворює приховане зображення, яке під дією хімічного проявника перетворюється на ланцюжок зерен срібла – трек частинки.

Плавлення і тверднення тіл. Температура плавлення. Питома теплота плавлення – Теплові явища

Фізика

Теплові явища

Плавлення і тверднення тіл. Температура плавлення. Питома теплота плавлення

Тіла, які зовні здаються твердими, не завжди є такими з точки зору фізики. Істинно тверді тіла мають кристалічну структуру, з упорядкованістю молекул чи атомів у межах всього кристалу (з дальнім порядком).
При нагріванні кристалічної речовини зростає хаотичність руху її молекул, і за досить високої температури зникає дальній порядок (відбувається процес Плавлення). Хімічно прості кристали плавляться за цілком визначеної температури. Зворотний процес – Тверднення (кристалізація). Температура кристалізації збігається з температурою плавлення. Від початку плавлення (і тверднення) і до закінчення кожного з цих процесів температура речовини залишається незмінною.

Чим більша маса речовини, яку треба розплавити, тим більша кількість теплоти для цього потрібна:
, , , .
Питома теплота плавлення чисельно дорівнює кількості теплоти, яку необхідно передати одному кілограму кристалічної речовини, нагрітої до температури плавлення, щоб перетворити її на рідину тієї ж температури.
Для процесу кристалізації ; у цьому випадку – питома теплота кристалізації.

Дія магнітного поля на рухомий заряд. Сили Лоренца і Ампера. Магнітна індукція – Магнетизм

Фізика

Магнетизм

Дія магнітного поля на рухомий заряд. Сили Лоренца і Ампера. Магнітна індукція

У 8 класі розглянуто поняття магнітного поля і його дію на провідник зі струмом. Виштовхування чи втягування провідника зі струмом в магнітне поле – результуючий ефект дії поля на окремі заряди в провіднику (на електрони провідності).
Досліди свідчать, що на нерухомий заряд q магнітне поле не діє, а на рухомий – діє у напрямку, що визначається правилом лівої руки. Сила, з якою магнітне поле діє на рухомий електричний заряд, називається Силою Лоренца.
Якщо (позитивний заряд), а швидкість перпендикулярна до ліній магнітного поля, то , , . Величина В називається Індукцією магнітного поля (або Магнітною індукцією). Її роль аналогічна ролі напруженості електричного поля ; схожість цих формул очевидна. Вектор спрямовують уздовж магнітної стрілки (куди спрямовується її полюс N).
Якщо вектор не перпендикулярний до вектора , то , де – кут між векторами і .
Для провідника зі струмом сила Ампера як сума сил Лоренца дорівнює: , де l – довжина ділянки провідника зі струмом, яка міститься в магнітному полі;.

На дротяну рамку зі струмом, вміщену в магнітне поле, діє обертальний момент М, який максимальний, коли площина рамки перпендикулярна до ліній індукції. При цьому , де I – струм у рамці, S – площа її контуру.

Явище тяжіння. Сила тяжіння та її зв’язок із масою – Взаємодія тіл

Фізика

Взаємодія тіл

Явище тяжіння. Сила тяжіння та її зв’язок із масою

Тяжіння (гравітація) – це характерне для всього Всесвіту взаємне притягання тіл. Земним тяжінням називається притягання тіл до Землі. Сила, з якою якесь тіло притягується до Землі, називається Силою тяжіння.
Якщо деяке тіло підняти над земною поверхнею і відпустити, то воно падатиме так, що кожної секунди його швидкість зростатиме на 9,8 м/с. Величина, що дорівнює цьому збільшенню швидкості, позначається g.
Сила тяжіння , яка діє на тіло, пропорційна масі тіла. При цьому g відіграє роль коефіцієнта пропорційності: (частіше пишуть ). Звідси випливає можливість вимірювання g в Н/кг (на тіло масою 1 кг діє ).

Атмосферний тиск. Дослід Торрічеллі – Тиск твердих тіл, рідин, газів

Фізика

Тиск твердих тіл, рідин, газів

Атмосферний тиск. Дослід Торрічеллі

Італійський учений Галілео Галілей першим збагнув, що оточуючий Землю товстий шар повітря (атмосфера) своєю вагою тисне на поверхню Землі, тобто створює Атмосферний тиск, і що саме цей тиск обмежує максимальну висоту підіймання води в трубі при відкачуванні з глибини (ця висота водяного стовпа становить 10,34 м).
Справедливість здогадки Галілея довели його учні – Еванджеліста Торрічеллі й Вінченцо Вівіані. Перший із них запропонував використовувати для вимірювання атмосферного тиску не воду, а ртуть, густина якої в 13,6 разу перевищує густину води, що дозволило значно зменшити розміри експериментальної установки, а другий у 1643 р. провів дослід, відомий під назвою Досліду Торрічеллі.

Вівіані наповнив ртуттю скляну трубку завдовжки 1 м, запаяну з одного кінця, затулив її отвір і трохи занурив трубку догори дном у чашу зі ртуттю. Після відкривання отвору частина ртуті вилилась у чашу, а рівень ртуті в трубці зупинився на висоті приблизно 76 см від її поверхні в чаші. При цьому тиск атмосфери, який передавався ртуті в трубці через ртуть у чаші, зрівноважився тиском стовпчика ртуті.
Значення нормального атмосферного тиску в CI: Па 100 кПа; у позасистемних одиницях цей тиск становить 760 мм рт. ст.
Людина майже не відчуває атмосферного тиску, бо цей тиск урівноважується тиском зсередини її тіла.

Барометр-анероїд. Зміна атмосферного тиску з висотою

Барометри – це прилади для вимірювання атмосферного тиску; “анероїд” означає “невологий” (тобто не рідинний).
Барометр-анероїд (див. рисунок) складається з камери К, повітря в якій розріджують (створюють вакуум). Хвиляста, гнучка кришка камери відіграє роль мембрани М. За допомогою передавального механізму вона з’єднана з пружиною П і стрілкою С.

У разі збільшення тиску атмосфери мембрана прогинається всередину, у разі зменшення – вигинається назовні. Ці деформації мембрани змінюють положення стрілки на шкалі.
Тиск повітря p на значних висотах h (у горах, навіть на верхніх поверхах висотних будинків) помітно менший, ніж поблизу поверхні Землі.
Зменшення тиску зі збільшенням висоти пояснюється щонайменше двома причинами: 1) зменшенням товщини шару повітря (тобто висоти повітряного стовпа), що створює тиск; 2) зменшенням густини повітря з висотою внаслідок зменшення сили тяжіння при віддаленні від центра Землі.

Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу – Динаміка

Фізика

Динаміка

Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу

Імпульс тіла (імпульс, кількість руху) – це векторна фізична величина, що позначається (від англ. push – поштовх) і дорівнює добутку маси тіла на його швидкість: .
Користуючись поняттями імпульсів (імпульсу тіла та імпульсу сили , де t – час дії сили), виразу другого закону Ньютона можна надати більш загального вигляду.
Нехай прискорення тіла стале. Тоді
;
; .
Таким чином, , тобто зміна імпульсу тіла дорівнює імпульсу сили. Таке визначення другого закону Ньютона є універсальним, застосовним при будь-яких швидкостях тіл.
На досліді легко виявити незмінність повного імпульсу Замкненої системи тіл, тобто сукупності тіл, які взаємодіють лише між собою.
Приклади: людина вистрибує на берег із човна, а човен трохи відпливає від берега; гармата отримує “віддачу” при вилітанні з її жерла снаряда.

У результаті узагальнення багатьох дослідів і спостережень сформульовано закон збереження імпульсу: векторна сума імпульсів n тіл, що утворюють замкнену систему, не змінюється при їх взаємодії: , або .
Отже: .
Проявом закону збереження імпульсу є реактивний рух – рух тіла (наприклад, каракатиці, медузи, ракети) за рахунок викидання (вилітання) з нього струменю рідини або газу.

Електризація тіл. Два роди зарядів – Електричні явища

Фізика

Електричні явища

Електризація тіл. Два роди зарядів

Давно відомо, що янтар (бурштин), потертий об вовну (або хутро), притягує до себе легкі предмети. Цей ефект назвали електричним (від грец. elektron – янтар). Подібні властивості виявили й у багатьох інших тіл, зокрема у скла, потертого об шкіру (або шовк).

Наелектризовані тертям шматочок янтарю і шматочок скла притягаються один до одного, але шматочки янтарю один від одного відштовхуються, шматочки скла – теж. Підкреслюючи відмінність у наелектризованості янтарю і скла, спочатку умовно говорили про “смоляну” і “скляну” електрику, а потім янтар назвали зарядженим негативно, а скло – позитивно.
Електризація тіл при терті в основному зумовлена збільшенням під час взаємного руху тіл площі їх поверхні контакту, з якої й відбувається обмін електричними зарядами між тілами.
Електричним зарядомQ (від англ. quantity – кількість) назвали кількісну міру здатності заряджених тіл до взаємодії.
Одиницю заряду назвали кулоном – на честь Шарля Кулона, = Кл.
Вираз “заряд” часто вживають для позначення маленького зарядженого тіла чи зарядженої частинки.

Дискретність електричного заряду. Електрон. Будова атома – Електричні явища

Фізика

Електричні явища

Дискретність електричного заряду. Електрон. Будова атома

З латинської слово discretus означає переривчастий, такий, що складається з окремих частинок (наприклад, пшоно або мак візуально здаються дискретними на відміну від води).
Вчені виявили, що електричний заряд тіла може змінюватись лише дискретно, цілократно найменшому (елементарному) заряду. Носієм елементарного негативного заряду є електрон, а носієм елементарного позитивного заряду – протон. Маса електрона 9,1 -10-31 кг, протон у 1836 разів масивніший, заряди обох частинок чисельно однакові: 1,6 -10-19 Кл. Обидві ці частинки є складовими атомів.
Спрощено атом розглядають як сферичне утворення діаметром м, у центрі якого – позитивно заряджене ядро (діаметром м), навколо якого рухаються електрони.

Елементарні частинки та античастинки. Взаємні перетворення частинок – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Елементарні частинки та античастинки. Взаємні перетворення частинок

Існує декілька різних визначень поняття “елементарні частинки”. Найпростіше з них, на рівні шкільних уявлень, таке: частинки матерії, дрібніші за атоми та їх ядра, називаються Елементарними. (Спочатку поширеним було визначення, у якому фігурувала умова, щоб дана частинка не складалася з інших частинок, але у разі такого визначення виявлення кваркової структури нуклонів виключило б нуклони із числа елементарних.)
Виходячи зі шкільного курсу фізики, можна виділити такі елементарні частинки: електрон, протон, нейтрон, нейтрино і фотон.
Дуже важливою властивістю елементарних частинок є їхня здатність перетворюватись одна на одну.
Приклад: розпад нейтрона з переходом цього нейтрального нуклона у заряджений стан (це можливо, оскільки маса нейтрона і його енергія спокою більші, ніж у протона):.
Відомо, що електрони відіграють роль -частинок у випромінюванні радіоактивних речовин, тому розглянуте перетворення нейтрона називається -Розпадом.
Перш ніж обговорювати зміст частинки, позначеної , треба записати схему перетворення протона на нейтрон, яке відбувається в ядрі (оскільки маса і енергія спокою протона менші, ніж у нейтрона, то у відокремленого протона таке перетворення не виявляється, а протон у ядрі немов би “позичує” енергію у сусідніх нуклонів).
Приклад -розпаду: .
При цьому утворюється частинка , яка одержала назву Позитрон (“позитивний електрон”). Позитрон відрізняється від електрона лише знаком заряду і називається Античастинкою електрона.
Нейтральна частинка , яка утворюється при -розпаді, одержала назву Нейтрино.
Частинка у випадку -розпаду називається Антинейтрино, є античастинкою відносно до .
Обидві ці частинки електронейтральні, відмінність між ними можна пояснити тільки при поглибленому (факультативному) вивченні фізики: ці античастинки відрізняються напрямом спіна.
У межах загальноосвітнього курсу можна пояснити відмінність між і наближено: елементарні частинки мають властивість “обертатись” навколо “власної осі” (як Земля здійснює добове обертання), при цьому частинки і “обертаються” у протилежних напрямках.
Античастинки є у всіх згаданих елементарних частинок, крім фотона. Існування позитрона виявив у 1932 р. американський учений Карл Андерсон, а уже в 1933 р. було відкрито явище народження пари електрон-позитрон при взаємодії -фотонів із речовиною: .
Зворотний процес: . Він називається Анігіляцією (знищенням) пари і й супроводжується значним енерговиділенням.

Ядерний реактор – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Ядерний реактор

Ядерним реактором називається складна установка, в якій здійснюється керована ланцюгова реакція.
Активна зона реактора містить тепловиділяючі елементи (ТВЕЛ) 1 (з ядерного палива, наприклад збагаченого ураном-235 природного урану). ТВЕЛ’и відділені один від одного сповільнювачем нейтронів 3 (наприклад, графітом). Для керування реакцією служать регулювальні стрижні 4 з матеріалу, що добре поглинає нейтрони (кадмій, гафній, бор). Таких стрижнів у реакторі багато Приклад: 4-й енергоблок Чорнобильської АЕС мав 211 стрижнів-поглиначів.

Регулювання ланцюгової реакції здійснюється зміною глибини занурення стрижнів в активну зону реактора. Для зменшення втрат нейтронів служить графітовий відбивач нейтронів 2. Тепло, що виділяється при реакції, відводиться теплоносієм 5, циркулюючим у спеціальних каналах. Зовні знаходиться бетонний захист 6. Саме такого типу реактори (з графітовим, а не з водяним уповільнювачем нейтронів) функціонували на Чорнобильській АЕС.

Криволінійний рух. Рівномірний рух матеріальної точки по колу. Період і частота. Кутова швидкість – Кінематика

Фізика

Кінематика

Криволінійний рух. Рівномірний рух матеріальної точки по колу. Період і частота. Кутова швидкість

Прямолінійні рухи на практиці реалізуються рідко, значно частіше траєкторією матеріальної точки є крива лінія. Миттєва швидкість у будь-якій точці траєкторії при цьому напрямлена вздовж дотичної до кривої.

Найпростішим із криволінійних рухів матеріальної точки є рух по колу (у випадку обертання тіла окремі його точки описують кола).
Навіть рівномірно рухаючись по колу, матеріальна точка має прискорення, яке характеризує бистроту зміни напряму миттєвої швидкості і в будь-якій точці траєкторії напрямлене вздовж нормалі n до дотичної. Саме цим зумовлена одна з назв такого прискорення – нормальне прискорення . Воно спрямоване до центра кола, у зв’язку з чим називається ще й доцентровим прискоренням і обчислюється за формулою .

Рух матеріальної точки по колу можна характеризувати періодом T і частотою n. Нехай за час t матеріальна точка здійснює N повних обходів кола. Період – час одного обходу, тобто , , а Частота – число обходів протягом секунди, тобто . Очевидно, що , .
Рух по колу можна характеризувати також бистротою руху радіуса кола R, проведеного до якогось початкового положення матеріальної точки.
Нехай за час матеріальна точка пройшла по колу шлях (довжину дуги кола), а радіус R обернувся на кут . Цей кут називається Кутовим переміщенням матеріальної точки. Відношення називається Кутовою швидкістю і позначається ω (омега),
Отже, Кутова швидкість матеріальної точки чисельно дорівнює її кутовому переміщенню протягом секунди.
Оскільки при рівномірному русі по колу, то можна розглядати будь-який час t і відповідний кут φ, зокрема – період T і повний кут 2π. При цьому , або. Виразивши доцентрове прискорення через кутову швидкість ω, можна записати так: .

Індуктивність. Енергія магнітного поля струму. Самоіндукція – Індукційні явища

Фізика

Індукційні явища

Індуктивність. Енергія магнітного поля струму. Самоіндукція

Якщо магнітне поле створюється струмом у провіднику, то індукція цього поля B і магнітний потік Ф прямо пропорційні силі струму I: Ф∼В∼I. При однакових I потік Ф різний у провідниках різної форми і залежить від оточення. Форму провідників та їх оточення враховує коефіцієнт пропорційності L (індуктивність): ; (генрі).
Роль величини L в електромагнетизмі схожа на роль маси m у механіці: чим більша маса тіла, тим довше воно розганяється із стану спокою деякою силою до певної швидкості; чим більша індуктивність провідного замкненого контуру, тим триваліший процес збільшення в контурі сили струму до певного її значення під дією електрорушійної сили.

У механіці Кінетичною енергією називається енергія тіла, що рухається; у магнетизмі Енергія магнітного поля – це енергія зарядів, які рухаються. Бистрота руху тіла, бистрота руху заряду . Отже, знаючи формулу кінетичної енергії , можна і без виведення записати формулу енергії магнітного поля: .
Окремим випадком явища електромагнітної індукції є Самоіндукція – збудження ЕРС у котушці внаслідок пропускання через неї струму, який змінюється.
Чим більша бистрота зміни струму в котушці, тим більша ЕРС в ній наводиться: . У котушках різних розмірів і форми та за умови різного оточення (наявності різних речовин всередині котушки – чи то повітря, чи то залізо) виявляється різною за однакового значення , тобто . Коефіцієнт пропорційності L у даному випадку називають коефіцієнтом самоіндукції.

Сила струму. Напруга – Електричні явища

Фізика

Електричні явища

Сила струму. Напруга

Для характеристики бистроти упорядкованого руху заряджених частинок ввели фізичну величину, що названа Силою струмуI.
Визначальна формула сили струму така:
,
тобто сила струму I чисельно дорівнює заряду, що проходить через поперечний переріз провідника протягом секунди.
Одиниця сили струму називається ампером (на честь французького фізика Андре Ампера); . Визначення цієї одиниці, що є однією з основних в СІ, дається на підставі закону магнітної взаємодії провідників із струмом (розглядається у 10 класі).
За рахунок енергії електричного поля, яким створюється струм, цей струм виконує роботу в провіднику. Для кількісної характеристики роботи по перенесенню одиничного заряду використовується фізична величина – Напруга:
,
тобто U чисельно дорівнює роботі струму в даній ділянці кола (між двома його точками) при перенесенні заряду 1 Кл.
Одиниця напруги – вольт:
.
Прилади для вимірювання сили струму називаються Амперметрами, а для вимірювання напруги – Вольтметрами. Дія більшості з них базується на взаємодії вимірюваного струму в дротяній котушці з магнітом.
Амперметр вмикають в електричне коло послідовно, а вольтметр – паралельно тому пристрою, напругу на якому треба виміряти.

Коефіцієнт корисної дії механізму – Робота і потужність. Енергія

Фізика

Робота і потужність. Енергія

Коефіцієнт корисної дії механізму

Робота, яку виконує механізм (корисна робота Ак), через наявність сил тертя і сил опору середовища завжди менша, ніж робота приведення механізму в рух (виконана робота Ав).
Відношення корисної роботи до всієї виконаної роботи називається Коефіцієнтом корисної дії (ККД): h = Ак / Ав.
Часто ККД виражають у відсотках, домножуючи дріб на 100 %. ККД завжди менший за одиницю (або за 100 %).

Система відліку – Кінематика

Фізика

Кінематика

Система відліку

Тіло, відносно якого розглядається рух інших тіл, має назву Тіла відліку. Воно може або бути у стані спокою або рухатися. З ним можна пов’язати систему координат і годинник.
Сукупність тіла відліку, системи координат і годинника утворює Систему відліку.

Явище тертя. Сили тертя. Тертя ковзання, кочення, спокою. Підшипники – Взаємодія тіл

Фізика

Взаємодія тіл

Явище тертя. Сили тертя. Тертя ковзання, кочення, спокою. Підшипники

Якщо тіло (наприклад, брусок) ковзає по деякій поверхні, то йому перешкоджає силатертя ковзання; якщо тіло котиться, то виникає силатертя кочення. Сила тертя кочення менша за силу тертя ковзання, тому для зменшення тертя у техніці ковзання замінюють коченням. Для цього в багатьох механізмах використовуються кулькові або роликові підшипники, наприклад вал, на який насаджується підшипник, не ковзає, а котиться. Замінити тертя ковзання на тертя кочення можна також використавши котки або колеса. Зменшення тертя як шкідливого чинника досягається шляхом зменшення шерехатості дотичних поверхонь тіл і використання мастил. Однак наявність тертя у природі, техніці й побуті буває й корисною.
Від тертя руху треба відрізняти тертя спокою. Сила тертя спокою виявляється при спробі зрушити деяке тіло з місця. Числове значення цієї сили залежить від значення притискуючої сили та від стану дотичних поверхонь тіл (їх шерехатості перешкоджають зрушити тіло).

Швидкість світла. Закони відбивання і заломлення світла. Повне відбивання – Хвильова оптика

Фізика

Хвильова оптика

Швидкість світла. Закони відбивання і заломлення світла. Повне відбивання

У 8 класі розглядаються закони відбивання світла і подається поняття залом-лення світла, але закони заломлення не розглядаються.
Швидкість світла у вакуумі м/с, приблизно така ж вона і в повітрі. У більш густих, ніж повітря, прозорих середовищах . При переході світлових променів з одного прозорого середовища в інше напрями променів змінюються (світло заломлюється).
Є два закони заломлення (так само, як і два закони відбивання).
Закони заломлення:
1) Відношення стале для даних двох середовищ і називається відносним показником заломлення другого середовища відносно першого (наприклад, води відносно повітря): .
2) Заломлений промінь, падаючий промінь і нормаль до поверхні поділу середовищ знаходяться в одній площині.
Крім відносного показника заломлення, в оптиці користуються поняттям і абсолютного показника заломлення.
Абсолютний показник заломлення речовини – відношення швидкості світла у вакуумі (або в повітрі) до швидкості світла в даній речовині: , тоді .
В оптиці користуються поняттям густини, яке не збігається з поняттям густини речовини в механіці (). Із двох середовищ оптично більш густим є те, показник заломлення якого більший.
Якщо перше середовище оптично густіше за друге, то зі збільшенням кута падіння світла заломлений промінь, “опускаючись”, наближується до межі поділу середовищ. При деякому значенні кута α (критичний або граничний кут ) заломлення не відбувається, промінь ковзає вздовж поверхні розподілу середовищ (промінь 3).

Якщо , світловий промінь повертається в перше середовище, тобто відбувається лише відбивання світла всередину першого середовища, без виходу в друге. Значення критичного кута для різних пар середовищ різне. Оскільки критичному куту падіння відповідає прямий кут заломлення (), то, скориставшись формулою відносного показника заломлення, умову повного відбивання можна записати так: .
Як підсумок, можна сформулювати Закон повного відбивання світла: при переході світлового променя з оптично більш густого середовища в оптично менш густе на межі поділу цих середовищ може виникати повне відбивання променя за умови, що значення кута падіння перевищить деяке критичне значення, стале для даних двох середовищ.
На принципі повного відбивання світла функціонують волокнисті світловоди – пристрої, що використовуються у волоконній оптиці.

Потенціальна і кінетична енергія. Закон збереження енергії в механічних процесах – Динаміка

Фізика

Динаміка

Потенціальна і кінетична енергія. Закон збереження енергії в механічних процесах

Поняття енергії взагалі, двох різновидів механічної енергії та їх формули розглянуті раніше.
Тепер додається формула потенціальної енергії пружно деформованого тіла жорсткістю k:
.
Раніше йшлося і про закон збереження енергії в механіці. Треба розглянути цей закон більш докладно. Відомо, що тіла, дуже швидко рухаючись у повітрі, помітно нагріваються. Приклад: входження космічного корабля в атмосферу при його поверненні з польоту.
Отже, закон збереження механічної енергії формулюється так: повна механічна енергія замкненої системи тіл може зберігатися тільки за умови, що тіла взаємодіють лише силами тяжіння і пружності, тобто за відсутності сил тертя і опору середовища.
Зрозуміло, що така умова – ідеалізація, тому є сенс говорити тільки про збереження повної енергії системи, враховуючи і внутрішню енергію тіл системи.

Взаємодія заряджених тіл. Електричне поле – Електричні явища

Фізика

Електричні явища

Взаємодія заряджених тіл. Електричне поле

Заряджені тіла можуть взаємодіяти на відстані, без дотику. Така взаємодія відбувається за допомогою матеріального посередника, що одержав назву електричного поля. Однойменно заряджені тіла відштовхуються, а різнойменно заряджені – притягаються одне до одного. Математичний опис електричної взаємодії тіл розглядається у 10 класі.
Електричне поле – це особливий вид матерії, який існує навколо заряджених тіл і є посередником у їх взаємодії.

Механічні властивості матеріалів. Види деформацій – Молекулярна фізика

Фізика

Молекулярна фізика

Механічні властивості матеріалів. Види деформацій

Під дією зовнішніх сил тверді тіла змінюють свою форму і розміри – деформуються. Поведінку тіла в процесі його деформування зручно ілюструвати діаграмою розтягу, зображеною на рисунку.

Уздовж осі ординат відкладають механічне напруження s. Розрізняють внутрішні напруження в тілі (, де S0 – початкова площа поперечного перерізу тіла) і зовнішні напруження (або питоме навантаження, розглядаються зовнішні сили.
Уздовж осі абсцис відкладають відносне видовження , де l0 – початкова довжина тіла, l – абсолютне видовження (l = l – l0). Якщо зовнішня дія була порівняно невеликою, то її усунення супроводжується пружним відновленням початкового стану тіла (на діаграмі розтягу ділянка 0-1). При зростанні навантаження більшість матеріалів виявляє пластичні властивості (спочатку це ділянка 1-2, потім деформація зростає без збільшення зовнішньої сили – матеріал пластично “тече”, ділянка 2-3). Після вичерпання пластичних ресурсів напруження зростає (ділянка 3-4), що закінчується руйнуванням тіла (точка 4). Більшість сталей, а також сплавів на основі міді пластичні. Однак є й крихкі матеріали (більшість чавунів, склоподібні матеріали).
Значення напружень, які відповідають завершенню Пружної деформації – зникає, після того, як дія зовнішніх сил припиняється; початку і завершенню Пластичної деформації – не зникає після припинення дії сил, які їх викликали і призводять до незворотних змін у кристалічній гратці твердого тіла (плинності) та зруйнуванню матеріалу (, і ), мають назву Границь (меж) пружності, Плинності та Міцності.
Деформації в тілах можуть спричинятися шляхом одновісного розтягу чи стиску; всебічного стиску (наприклад, у рідині під поршнем); зсуву (у чистому вигляді чи крученням).

Рівняння Менделєєва – Клапейрона – Молекулярна фізика

Фізика

Молекулярна фізика

Рівняння Менделєєва – Клапейрона

Величини p, V і T, які визначають стан газу, називають параметрами стану. Рівняння, до складу якого одночасно входять всі параметри, називається Рівнянням стану.
Тиск p газу залежить від значень T і V:. Перехід від пропорційності до рівняння спочатку було здійснено за допомогою коефіцієнта, який мав стале значення (був константою) для даного газу, але мав різні значення для інших газів (ця константа не була універсальною). Таким чином було одержано рівняння стану, назване рівнянням Клапейрона:
.
Коефіцієнт пропорційності став універсальним завдяки Дмитру Менделєєву, який запропонував розглядати різні гази в однакових кількостях, тому рівняння стало називатися рівнянням Менделєєва – Клапейрона.
Для 1 моль газу
, або .
Величина називається Універсальною (або молярною) газовою сталою.
Для n моль:
.

Постійний електричний струм – Електростатика

Фізика

Електростатика

Постійний електричний струм

Основні поняття та фізичні характеристики цього розділу розглядаються у 8 класі.

Електрорушійна сила

Сили, які в джерелі струму відокремлюють (всупереч електростатичним силам) різнойменні заряди, мають назву сторонніх сил. Приклади різних за природою сторонніх сил: електрохімічні, термоелектричні, фотоелектричні та ін.
Енергетична характеристика джерела струму називається Електрорушійною силою (ЕРС) і позначається : ; (вольт).
ЕРС чисельно дорівнює роботі сторонніх сил при перенесенні одиничного заряду в колі.

Закон Ома для повного кола

За законом Ома сила струму в замкненому колі , де r – опір джерела струму (внутрішній опір), R – опір споживачів електричної енергії і з’єднувальних провідників.

З’єднання провідників

Провідники можна з’єднувати послідовно або паралельно.
1) При послідовному з’єднанні провідників усі електрони провідності (весь струм) проходять через кожний із провідників, унаслідок чого збільшується число зіткнень електронів з іонами, тобто збільшується опір ділянки:
; ;
.

2) При паралельному з’єднанні провідників струм розтікається: частина йде через , частина – через і т. д., що приводить до збільшення електропровідності й зменшення опору:
;
; .

Залежність опору металів від температури. Надпровідність

При підвищенні температури збільшується амплітуда і негармонічність коливань іонів граток, тому зростає опір металу. Питомий опір металу залежить від температури майже лінійно: , де – термічний коефіцієнт опору. Для металів .
При зниженні температури зменшується. При дуже низьких температурах лінійність залежності порушується, а у деяких металів за певної температури опір стрибкоподібно зникає (наприклад, у ртуті, що було виявлено в 1911 р.). У 1986 р. було відкрито надпровідність спресованих порошків (“кераміки”) оксидів металів за температури 35 К. Через декілька років було знайдено рецепти кераміки, яка ставала Надпровідною при охолодженні зрідженим азотом (), а потім – і за менш низьких температур.

Струм в електролітах. Закони електролізу

Електроліти (кислоти, луги, солі) – це речовини, які у водних розчинах і в розплавах проводять струм, маючи провідність іонного типу, тобто струм створюється срямованим рухом не електронів (як у металах), а іонів обох знаків.
Окисно-відновні реакції на електродах в електроліті називають Електролізом (на електродах осаджуються іони, що виділяються з електроліту).
Закони електролізу (закони Фарадея):
1) , де m – маса речовини, що виділяється при проходженні струму через електроліт, q – заряд, який переноситься іонами, k – електрохімічний еквівалент речовини.
2) Електрохімічний еквівалент k прямо пропорційний хімічному еквіваленту , де M – маса моля речовини, n – її валентність: , .
Величина – Стала Фарадея.
Об’єднаний закон електролізу:
.

Струм у вакуумі. Електронна емісія. Діод

Вакуум у посудині – це настільки розріджений стан газу, що його молекули зіштовхуються одна з одною рідше, ніж зі стінками посудини.
Вакуум – ізолятор, струм у ньому може виникнути лише за рахунок штучного введення заряджених частинок. Для цього використовують емісію (випускання) електронів. У вакуумних лампах може відбуватися або термоелектронна емісія, або фотоелектронна (у фотодіоді).
У перших конструкціях вакуумних двохелектродних ламп (діодів) використовувались катоди прямого розжарення (а); потім почали виготовляти діоди з катодами непрямого нагрівання (б).

Діод має однобічну провідність, що дозволяє використовувати його для випрямлення змінного струму.

Струм у напівпровідниках. Електропровідність напівпровідників

Напівпровідники – речовини, що за провідністю стоять між провідниками й діелектриками. Приклади: германій, силіцій та ін. У цих кристалах дуже мало вільних електронів, підвищення температури збільшує їх число, зменшуючи опір кристала.
У напівпровідниках, крім напрямленого руху електронів, розглядається також рух позитивно заряджених “частинок” – “дірок”. Дірка – це вакансія у зв’язках між атомами Германію або Силіцію. Вона не може існувати у ваку-умі. І електронна, і діркова провідності чистих кристалів (власна провідність) слабкі.
Внесення у кристал, який складається з атомів чотиривалентних елементів (Германій, Силіцій), домішок різної валентності різко підсилює провідність одного типу. Кристал із підсиленою електронною провідністю – n-кристал, а з підсиленою дірковою провідністю – p-кристал. У першому випадку використовуються домішки-донори з валентністю, більшою за 4 (п’ятивалентні Стибій і Фосфор). У другому випадку використовуються домішки-акцептори з валентністю 3 (Арсен, Алюміній).

Електронно-дірковий перехід. Напівпровідниковий діод. Транзистор

Якщо одна частина напівпровідникового кристала має n-провідність, а інша – p-провідність, то це вже n-p-кристал. Межа контакту зон із різною провідністю – n-p-перехід. Він має однобічну провідність.

Схемі (а) підключення n-p-кристала до джерела струму відповідає дуже слабкий струм через кристал, а схемі (б) – сильний. Інакше кажучи, схемі (б) відповідає увімкнення подвійного кристала в пропускному напрямку, а схемі (а) – у запираючому.
Однобічна провідність n-p-переходу дозволяє використовувати подвійний кристал у ролі випрямляча змінного струму (подібно до вакуумного діода).

Напівпровідниковий тріод (транзистор)

Транзистор складається з трьох напівпровідникових кристалів із домішковою провідністю. Створено транзистори з різним чергуванням кристалів: n-p-n або p-n-p.


Транзистори використовують для генерування або підсилення радіосигналів.
Змінюючи різницю потенціалів між емітером і базою (подаючи на них змінну ), можна керувати колекторним струмом.

Струм у діелектриках

Поляризація діелектриків у змінних електричних полях розглядається як своєрідний струм (струм зміщення зв’язаних зарядів діелектриків). В електричному колі змінного струму, яке містить конденсатор, струми провідності в провідниках замикаються струмом зміщення в конденсаторі.

Струм у газах. Несамостійний і самостійний розряди. Поняття про плазму

Газ може стати провідником при значному нагріванні або при дії на нього ультрафіолетового, рентгенівського і гамма-випромінювання. Зовнішні іонізатори перетворюють частину молекул газу на позитивні іони, відщеплюючи від молекул електрони. Унаслідок приєднання електронів до нейтральних атомів у деяких газах можуть утворюватись і негативні іони.
Електричний струм у газі називають Газовим розрядом.
Розряд, який виникає лише в присутності зовнішнього іонізатора, – Несамостійний. Струм у газі, який не зникає при усуненні зовнішнього іонізатора, – Самостійний розряд. Такому розряду відповідає ділянка CD вольт-амперної характеристики газового розряду. Самостійний розряд підтримується позитивними іонами газу, які в достатньо сильних полях: а) вибивають електрони з катода; б) викликають ударну іонізацію молекул газу. Спад напруги на ділянці CD – наслідок суттєвого зменшення опору газового проміжку між електродами в розрядній трубці.

Плазмою називається газ із значним ступенем іонізації молекул. Розрізняють плазму низько – (плазму газового розряду) і високотемпературну (у надрах Сонця та інших зірок).

Заломлення світла – Геометрична оптика

Фізика

Геометрична оптика

Заломлення світла

Якщо промінь світла 1 переходить з одного прозорого середовища в інше, то напрям променя 3 у другому середовищі відрізняється від напряму променя 1.
Зміна напряму світлового променя на межі поділу двох різних середовищ називається Заломленням.

З рисунка видно, що кут заломлення β відрізняється від кута падіння α (детальніше – в 11 кл.).

Внаслідок заломлення світла ложка у склянці з водою здається зігнутою, а монета на дні чашки – піднятою над дном.

Випаровування і конденсація. Кипіння. Температура кипіння. Питома теплота пароутворення – Теплові явища

Фізика

Теплові явища

Випаровування і конденсація. Кипіння. Температура кипіння. Питома теплота пароутворення

Внаслідок хаотичності теплового руху деякі молекули рідини при будь-якій температурі випадково можуть рухатись у напрямі поверхні рідини і вилітати за її межі. Чим вища температура рідини, тим більше молекул в одиницю часу вилітають з неї.
Пароутворення з поверхні речовини називається Випаровуванням. Рідини випаровуються при будь-якій температурі, і навіть тверді речовини можуть слабко випаровуватись.
За досить високої температури до випаровування приєднується Кипіння, тобто пароутворення зсередини рідини. У цьому процесі беруть участь повітряні бульбашки, що є в рідині. Молекули рідини, що оточують бульбашки, проникають у них, бульбашки збільшуються в об’ємі і під дією сили Архімеда випливають, викидаючи назовні пару рідини.
Кипіння кожної рідини при незмінному тиску відбувається при цілком певній незмінній температурі. Чим більший тиск над рідиною, тим вища Температура кипіння.
Процес переходу речовини з газоподібного стану у стан з більшою густиною називається Конденсацією (ущільненням).
Шляхом конденсації пари утворюється ранкова роса (наприклад, на листі рослин), іній (на поверхні грунту, рослинах, будівлях тощо).
Фізична величина L, що має назву Питомої теплоти пароутворення, вводиться подібно до вже розглянутих величини q і : чим більше рідини в якійсь посудині, тим довше триває повне перетворення її на пару, і тим більша потрібна для цього кількість теплоти.
Отже: , , ,.
Питома теплота пароутворення L чисельно дорівнює кількості теплоти, необхідній для перетворення на пару 1 кг речовини при незмінній температурі.
Для процесу конденсації ; у цьому випадку L – питома теплота конденсації.

Манометри – Тиск твердих тіл, рідин, газів

Фізика

Тиск твердих тіл, рідин, газів

Манометри

Манометри – це прилади для вимірювання тисків газів у деяких посудинах (наприклад, у балонах). Більшість манометрів створено для вимірювання тисків, значно більших за атмосферний, але існують манометри спеціальної конструкції (мановакууметри), які дозволяють вимірювати тиски, значно нижчі за атмосферний.
Рідинні манометри дозволяють вимірювати різницю між досліджуваним тиском газу і тиском атмосферного повітря. За своєю конструкцією рідинні манометри (а) дуже схожі на рідинні (найчастіше ртутні) барометри (б).
Принцип будови та дії Металевих манометрів зручно розглянути на прикладі манометра Бурдона (в). Його основною частиною є гнучка зігнута металева трубка Т. Газ, створюючи тиск всередині трубки, деякою мірою розпрямлює її (це схоже на дію повітря в дитячій іграшці), що приводить у дію систему зубчастих коліщат і важелів, які обертають стрілку С на кут тим більший, чим більшим є вимірюваний тиск.

Провідники в електричному полі – Електростатика

Фізика

Електростатика

Провідники в електричному полі

Типовими провідниками є метали – речовини, які містять “вільні” електрони. Якщо метал внести в електричне поле напруженістю , то відбуватиметься зміщення електронів. Утворяться надлишок негативного заряду на одній частині тіла і надлишок заряду позитивних іонів – на протилежній (позитивний іон – це атом, що втратив електрони). “Вільних” електронів у металі так багато, що напруженість поля , створюваного поверхневими зарядами провідника, чисельно дорівнює значенню напруженості ; напрями цих напруженостей протилежні.
Отже, для результуючого поля:
,
.

Усередині металу електричне поле відсутнє (внаслідок екрануючої дії наведених зовнішнім полем зарядів на поверхні металу). Цю обставину покладено в основу електростатичного захисту чутливих електровимірювальних приладів та іншої апаратури від зовнішніх електричних полів. Для цього їх оточують густою металевою сіткою.

Когерентність. Інтерференція світла та її застосування в техніці – Хвильова оптика

Фізика

Хвильова оптика

Когерентність. Інтерференція світла та її застосування в техніці

Когерентними називаються взаємозв’язані (узгоджені) хвилі.
Дві хвилі когерентні, якщо:
а) ;
б) фази хвиль або збігаються (), або не збігаються (), але .
Когерентні хвилі випромінюються лише лазерами. Когерентні світлові хвилі від інших джерел можна одержати штучно, розділяючи хвилю (промінь) на дві частини і забезпечуючи проходження ними різних шляхів до точки зустрічі. Для цього використовують подвійні щілини, дзеркала, лінзи, призми, напівпрозорі дзеркала.
Інтерференція хвиль – це явище, яке виникає в результаті процесу накладання декількох когерентних хвиль і полягає у збільшенні амплітуди коливань в одних ділянках простору і зменшенні – в інших.
Чергування інтерференційних максимумів і мінімумів утворюється шляхом перерозподілу в просторі енергії хвиль, які накладаються. Для випадку світлових хвиль воно має вигляд світлих і темних ділянок.
Сфери застосування інтерференції: наука (наприклад, в оптиці для дослідження структури спектрів, для визначення кутових розмірів небесних тіл), техніка (для поліпшення оптичних приладів шляхом просвітлення їх об’єктивів, для контролю якості шліфовки поверхонь деталей та ін.).

Потенціальна енергія піднятого тіла. Кінетична енергія тіла – Робота і потужність. Енергія

Фізика

Робота і потужність. Енергія

Потенціальна енергія піднятого тіла. Кінетична енергія тіла

ЕнергіяW (від англ. work – робота, адже енергія – характеристика спроможності тіла виконувати роботу) або E (від англ. energy – енергія) – універсальна кількісна міра руху, яка не змінюється при переході однієї форми руху (наприклад, механічної) в іншу (наприклад, у теплову).
У механіці зміна енергії тіла дорівнює роботі A, яку при цьому виконує тіло (чи яку виконують над ним інші тіла):. Тому одиницею вимірювання енергії теж є джоуль.
Розрізняють енергію Потенціальну (від латин. potentia) – енергію взаємодії тіл або ділянок тіла і Кінетичну (від грец. kinetikos) – енергію руху тіла.
Якщо якесь тіло підняти над поверхнею Землі, то чим більшими є маса тіла m і висота його підіймання h, тим більшу роботу виконає сила тяжіння mg, якщо тіло відпустити. Значення цієї роботи і визначає потенціальну енергію піднятого тіла: .
Потенціальну енергію має не тільки тіло, підняте над поверхнею Землі, а й пружно деформоване тіло.
Тіло, що рухається, може виконувати роботу при зіткненні з перешкодою (приклади: удар бійка копра об палю, пробивання кулею мішені та ін.), отже, воно має енергію.
Енергія тіла, що рухається (кінетична енергія тіла), визначається масою тіла і його швидкістю: .

Взаємодія атомів і молекул речовин у різних агрегатних станах – Молекулярна фізика

Фізика

Молекулярна фізика

Взаємодія атомів і молекул речовин у різних агрегатних станах

Сили взаємодії молекул речовини мають електричне походження й зумовлені як відштовхуванням ядер атомів сусідніх молекул речовини, так і притяганням між ядрами одних атомів і електронними оболонками інших. Графіки залежності сил відштовхування і сил притягання від відстані між двома сусідніми частинками мають різну крутизну. Залежність результуючої сили від r при малих r схожа на залежність , а при великих – на залежність .
Молекули речовини, яка перебуває в газоподібному стані, настільки віддалені одна від одної, що практично не взаємодіють (лише відштовхуються при зіткненнях). В інших агрегатних станах речовин молекули взаємодіють, причому Fрез тим більша, чим менший r; отже, .

Рух штучних супутників. Перша космічна швидкість – Динаміка

Фізика

Динаміка

Рух штучних супутників. Перша космічна швидкість

Висновок про рух кинутого тіла по параболі зроблено виходячи з припущення, що поверхня Землі плоска. Це цілком припустимо на порівняно невеликих відстанях від точки кидання, але в глобальних (космічних) масштабах виявляється кулястість Землі. При цьому доки тіло рухається у заданому при киданні напрямі, поверхня під ним дещо віддаляється від нього. Якщо підібрати таке значення швидкості кидання, що віддалення Землі від тіла дорівнюватиме його наближенню до Землі внаслідок притягання, то тіло рухатиметься на сталій відстані h від земної поверхні. У цьому випадку траєкторією тіла є коло радіусом .

Першою космічною швидкістю називається швидкість кидання тіла (швидкість запуску ракети), при якій тіло перетворюється на супутник Землі.
У разі малої висоти тіла на орбіті над Землею (якщо ):
; ; ;
.

Механічні коливання. Гармонічні коливання та їхні характеристики – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Механічні коливання. Гармонічні коливання та їхні характеристики

Механічне коливання – такий вид руху тіла, під час якого воно багаторазово проходить одні й ті самі положення.
Коливання називаються Гармонічними, якщо їх характеристики (наприклад, зміщення тіла з положення рівноваги) змінюються у часі за законом синуса або косинуса.
Вільними (Власними) називаються коливання, які здійснює тіло за рахунок початкової енергії, без зовнішньої дії під час коливань. Приклад: коливання математичного маятника, який відхилили від положення рівноваги і відпустили.
Деякі фізичні характеристики коливань матеріальної точки (наприклад, період, частота, циклічна частота) дуже схожі на характеристики руху матеріальної точки по колу.
Період – час одного коливання, , обернена величина – Частота; , (герц), .
Величина, аналогічна кутовій швидкості обертання , називається Циклічною (Круговою) частотою коливань: .
Амплітудою коливаньА називається максимальне зміщення матеріальної точки з положення рівноваги: .
Рівняння гармонічних коливань . Аргумент синуса називається Фазою коливань і позначається . Фаза показує, яка частина повного коливання здійснилась на даний момент часу.
Якби в початковий момент маятник не проходив через положення рівноваги, тобто нитка математичного маятника утворювала б кут з вертикаллю, то рівняння коливань мало б вигляд , де весь вираз у дужках – фаза коливань, а – початкова фаза коливань.

Відносність руху – Кінематика

Фізика

Кінематика

Кінематика – розділ механіки, який описує рухи, не аналізуючи при цьому їх причин.

Відносність руху

Поняття руху і спокою не є абсолютними. Приклад: у вагоні потяга, що рухається, пасажир А сидить, пасажири В і С ідуть з однаковими швидкостями, а за ними всіма з перона спостерігає крізь великі вікна проводжаючий Д. Відносно об’єктів B, C і Д рухається вагон; об’єкти B і C рухаються відносно А, а відносно один одного – ні. Нарешті, якби числові значення швидкості вагона і швидкості ходьби пасажирів B і С були однакові, то вони були б нерухомими відносно спостерігача Д.
Отже, рух будь-якого тіла можна розглядати лише відносно якогось іншого тіла.

Автоколивання. Генератор незгасаючих коливань на транзисторі – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Автоколивання. Генератор незгасаючих коливань на транзисторі

Автоколивання – процес, який принципово відрізняється як від вільних (без зовнішньої дії) коливань, якби вони могли не згасати, так і від вимушених коливань, які відбуваються під дією періодично змінної сили. Автоколивання здійснюються, на відміну від вільних, під дією зовнішньої сили. Але вона, на відміну від вимушених коливань, не змінюється періодично (така зміна відбувається поступово, плавно, завдяки самій коливальній системі.)
Принцип діє автоколивальної системи такий. Деякий пристрій 1, що є носієм запасу зовнішньої енергії (резервуар енергії) з’єднується з коливальною системою 3 за допомогою клапана 2. Лінія зв’язку резервуар-клапан-система одержала назву прямої, на відміну від ще однієї лінії зв’язку система-клапан, що називається зворотною лінією (або лінією зворотного зв’язку).

Завдяки існуванню зворотного зв’язку система сама керує своїм енергопостачанням, періодично то підключаючись до резервуару шляхом “відкривання” клапана, то відключаючись. Це “підживлення” системи енергією відбувається в такт із вільними коливаннями системи.
Одна з перших автоколивальних систем – маятниковий годинник, винайдений у середині XVII ст. голландським фізиком Х. Гюйгенсом.
Джерелом енергії в цій системі служить гиря, опускання якої під дією сили тяжіння призводить до обертання ходового зубчатого колеса. Роль клапана відіграє анкер (рівноплечий важіль, жорстко пов’язаний із маятником). Важливу роль у механічній конструкції годинника відіграють палетки – дугоподібні пластинки з рубіну чи іншого твердого матеріалу. Через палетки маятник і одержує підкачку енергії від гирі.

Існують різні схеми автогенераторів синусоїдних електричних коливань, але принцип їх роботи однаковий. У перших подібних генераторах використовувались вакуумні тріоди. У сучасних генераторах роль клапана відіграє транзистор.
Коливальний контур підключають до джерела постійного струму D послідовно з транзистором, емітерний перехід якого через котушку зворотного зв’язку індуктивно зв’язаний із контуром:

У разі замикання електричної схеми ключем К конденсатор контуру заря-джається, внаслідок чого в контурі виникають коливання. Контурний струм створює магнітне поле в котушці , яке індукує на кінцях котушки змінну напругу. Під її дією електричне поле емітерного переходу періодично підсилюється і послаблюється, транзистор то відкривається, то закривається. Коли транзистор відкритий, через нього відбувається підзарядка конденсатора від джерела D у контурі, що робить коливання незгасаючими.

Рівноприскорений прямолінійний рух – Кінематика

Фізика

Кінематика

Рівноприскорений прямолінійний рух

Рівноприскореним прямолінійним Рухом матеріальної точки називається рух, під час якого за будь-які рівні проміжки часу її швидкість змінюється однаково, тобто це рух з .
Для розв’язування задач корисно пам’ятати три рівняння кінематики рівноприскореного прямолінійного руху:
1) ;
2) ;
3) .
У цих рівняннях початкові значення величин позначаються індексом “0” (нуль), а кінцеві значення записуються без індексу.

Магнітний потік – Індукційні явища

Фізика

Індукційні явища

Магнітний потік

Потік вектора індукції магнітного поля через якусь поверхню площею S дорівнює кількості ліній індукції, що пронизують цю поверхню. Очевидно, що число таких ліній залежить від  (густота ліній індукції), S і орієнтації поверхні у магнітному полі.


Отже, формула магнітного потоку
,
де α – кут між вектором і нормаллю до поверхні; (вебер).

Робота газу в термодинаміці – Термодинаміка

Фізика

Термодинаміка

Термодинаміка вивчає найзагальніші властивості макроскопічних (утворених багатьма мікроскопічними складовими) систем у стані термодинамічної рівноваги, а також процеси переходу між такими станами.
Стан термодинамічної рівноваги характеризується однаковими значеннями температури, тиску та інших величин у всіх частинах системи. Механізми процесів, які вивчає термодинаміка, при цьому не досліджуються.

Робота газу в термодинаміці

Прикладом роботи, що виконується не за рахунок механічної, а за рахунок теплової енергії, може бути зміщення поршня в циліндрі на відстань внаслідок нагрівання газу під поршнем.


Газ, розширюючись за сталого тиску, виконує над поршнем роботу за рахунок сил молекулярного тиску , де S – площа поршня, ∆V – приріст об’єму, який займає газ у циліндрі.
У загальному випадку, коли тиск газу в ході процесу змінюється, роботу знаходять графічним методом.
Робота газу при будь-якому процесі вимірюється площею, обмеженою кривою процесу, віссю абсцис і вертикальними прямими V = V1 та V = V2.

Лазер. Створення та застосування квантових генераторів – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Лазер. Створення та застосування квантових генераторів

Світло поглинається (а), коли падає на речовину, атоми якої знаходяться у незбудженому стані; зворотні переходи з випусканням фотона відбуваються самочинно (спонтанно) (б). Якщо ж атоми речовини були попередньо збуджені, то світло, проходячи через речовину, підсилюється за рахунок приєднання до нього фотонів вимушеного випромінювання (в).
Ефект вимушеного випромінювання ліг в основу дії оптичних квантових підсилювачів (ОКП) і генераторів (ОКГ) світла. Теорію квантових генераторів розробили М. Г. Басов, О. М. Прохоров і Ч. Таунс. Перший ОКГ, названий лазером (від англ. laser – light amplification by stimulated emission of radiation), сконструював Теодор Мейман. Робочою речовиною був рожевий рубін (кристал Al2O2 з домішкою ≈ 0,05% Cr2O3).
Рубіновий лазер працює за трирівневою схемою: збудження іонів хрому здійснюється шляхом освітлення рубіна потужною лампою (накачка лазера) з переходом іонів із рівня 1 на рівень 3. Цей рівень характеризується малим “часом життя” t. З рівня 3 на рівень 2 (з великим t) іони хрому переходять безвипромінювально і накопичуються там. Нарешті виникає лавиноподібний вимушений перехід із рівня 2 на рівень 1 з випромінюванням когерентного світла.


До особливостей лазерного випромінювання належать висока когерентність, мала розбіжність, велика інтенсивність.
Сфера застосування лазерів: зв’язок (особливо космічний, адже в космосі немає поглиначів світла – хмар), світлолокація – дуже точне визначення відстані до рухомих предметів; мікрохірургія (у тому числі під час операцій на оці); промисловість (зварювання і обробка матеріалів); одержання голограм (об’ємних зображень предметів); у перспективі – здійснення керованих термоядерних реакцій та ін.

Динамометри – Взаємодія тіл

Фізика

Взаємодія тіл

Динамометри

Динамометрами (від грец. dynamis – сила і metrеo – вимірювати) називають прилади для вимірювання сили за деформацією пружин внаслідок дії сили. Найпростішим із динамометрів є усім відомі пружинні ваги – безмін.

Питома теплота згоряння палива (теплотворна здатність) – Теплові явища

Фізика

Теплові явища

Питома теплота згоряння палива (теплотворна здатність)

Чим більше згоряє палива, тим більше тепловиділення. Для різних речовин кількість теплоти Q, що виділяється при згорянні, різна:
, , .
Питома теплота згоряння q чисельно дорівнює кількості теплоти, що виділяється при згорянні 1 кг речовини.

Типи спектрів. Спектри поглинання і випромінювання. Спектральний аналіз – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Типи спектрів. Спектри поглинання і випромінювання. Спектральний аналіз

Залежно від того, в якому агрегатному стані перебуває випромінююча речовина, одержуються такі спектри: неперервні, лінійчасті, смугасті.
У неперервному спектрі один колір переходить в інший плавно (неперервно), його випромінює Сонце, а також тверді тіла, рідини і гази за високого тиску (всі – у розжареному вигляді).
Нагріті до високої температури гази в атомарному стані утворюють лінійчастийспектр (при цьому окремі кольорові лінії відділені темними широкими смугами).
Смугастий спектр складається з окремих кольорових смуг, відокремлених темними проміжками; його утворюють розжарені гази, що складаються з молекул.
Одержання і вивчення спектрів – основа спектрального аналізу хімічного складу речовин. Спектральний аналіз базується на тому, що кожний хімічний елемент має свій, неповторний набір спектральних ліній, за яким можна визначити хімічний елемент так само надійно, як людину за відбитками пальців.
Для одержання спектра поглинання треба пропустити через холодний атомарний газ світло від джерела, що дає суцільний спектр. При цьому в спектрі з’являються темні лінії саме в тих ділянках спектра, де знаходяться лінії випромінювання гарячого газу.
Спектральний аналіз дозволяє за темними лініями в сонячному спектрі визначити склад атмосфери Сонця та його шарів (саме ці дослідження привели до відкриття Гелію). Так само спектральний аналіз дозволяє визначити хімічний склад далеких зірок і міжзоряного газу. Величезна перевага цього методу полягає в його надзвичайній чутливості (за його допомогою було відкрито Рубідій і Цезій).

Вага тіла, яке рухається вертикально з прискоренням. Невагомість – Динаміка

Фізика

Динаміка

Вага тіла, яке рухається вертикально з прискоренням. Невагомість

Поняття ваги тіла Р та її відмінність від сили тяжіння розглянуто у 7 класі.

Якщо опора чи підвіс для якогось тіла (отже, й саме тіло) перебувають у спокої; рухаються горизонтально; рухаються у вертикальному напрямі рівномірно й прямолінійно, то . Але якщо тіло рухається вертикально вгору рівноприскорено, то його вага зростає. Прискорений спуск спричиняє зменшення ваги.
Під час запуску ракети космонавти зазнають значних перевантажень, а вже на орбіті реалізується невагомість. Вага всіх предметів у космічному кораблі – супутнику Землі – відсутня, бо відсутні сила тяги двигунів (вони вимкнені) і сила опору атмосфери (вона надзвичайно розріджена), єдиною силою, що діє в кораблі, є сила тяжіння. При цьому для жодного тіла немає ні опор, ні підвісів; усі тіла в кораблі і сам корабель знаходяться в стані вільного падіння, а отже – у стані невагомості.

Магнітна проникність. Магнетики – Магнетизм

Фізика

Магнетизм

Магнітна проникність. Магнетики

На відміну від діелектричної проникності , магнітна проникність . Для всіх діелектриків . Магнетики діляться на три класи:
1) діамагнетики: , але ;
2) парамагнетики:, але ;
3) феромагнетики: (Fe, Ni, Co).

Вологість повітря. Точка роси – Молекулярна фізика

Фізика

Молекулярна фізика

Вологість повітря. Точка роси

Тиск водяної пари, що міститься в повітрі, окремо виміряти неможливо. Цей тиск парціальний (від англ. part – частина) і складає частину тиску, вимірюваного барометром.
Можна сказати й інакше: парціальний тиск дорівнює тиску, що його створювала б водяна пара, якби крім неї в якійсь ділянці простору не було інших газоподібних компонентів.
Вміст водяної пари в повітрі називають Вологістю повітря. Розрізняють абсолютну і відносну вологість.
Абсолютна вологість – це парціальний тиск пари в повітрі або густина цієї пари .
Відносна вологість – це відношення парціального тиску пари в повітрі (або густини пари) до тиску (або густини) насиченої пари за даної температури:
.
При зниженні температури повітря водяна пара, що міститься в ньому, стає все ближчою до стану насичення. Температура, при якій водяна пара в повітрі стає насиченою, називається Точкою роси.

Діелектрики в електричному полі. Діелектрична проникність – Електростатика

Фізика

Електростатика

Діелектрики в електричному полі. Діелектрична проникність

У діелектриках немає “вільних” електронів, тому вони не проводять струм.
Є два основні типи діелектриків.
1) Полярні діелектрики складаються з полярних молекул, диполів, тобто “здвоєних електричних полюсів”, які за відсутності зовнішнього поля розташовані хаотично. Приклади: дистильована вода, кам’яна сіль.
2) Неполярні діелектрики складаються з нейтральних молекул.

Зовнішнє поле чинить орієнтуючу дію на диполі в полярному діелектрику.
Під дією зовнішнього поля позитивні заряди в молекулі речовини зсуваються в один бік, електрони – в інший. Деформуюча дія поля перетворює молекули неполярного діелектрика на диполі.
Процеси реагування діелектриків на зовнішнє електричне поле називаються Поляризацією діелектрика. Усередині діелектрика, вміщеного в електричне поле напруженістю , виявляється електричне поле. Його напруженість , де – напруженість поляризаційних зарядів; .
Фізична величина, що характеризує ослаблення поля в діелектрику порівняно із зовнішнім полем, називається Діелектричною проникністю, ; , лише для вакууму та повітря .

Передача електроенергії на відстань – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Передача електроенергії на відстань

На сучасному етапі розвитку електроенергетики вигідніше мати декілька великих електростанцій і від них передавати енергію навіть віддаленим за сотні кілометрів споживачам, ніж будувати велику кількість маленьких електростанцій у багатьох регіонах країни. Генератори потужних електростанцій виробляють змінний струм частотою 50 Гц і напругою 20 кВ.
Потужність на шляху до споживача дорівнює . Оскільки потужність , то зменшити I можна, збільшуючи U. Це досягається завдяки каскаду підвищувальних трансформаторів (110 кВ220 кВ кВ). У місцях споживання електроенергії відбувається зворотний процес.
У майбутньому можливе створення надпровідних ліній електропередач.

Перетворення енергії в коливальному русі – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Перетворення енергії в коливальному русі

Під час коливань безперервно відбувається перетворення одного виду механічної енергії на інший.
а) Нехай спочатку кулька математичного маятника, зображенного на рисунку, утримується у точці B, при цьому,;
б) при русі від точки B до точки A: Зменшується, зростає;
в) у точці A: , ;
г) при русі від точки A до точки C (внаслідок інерції) зменшується, зростає;
д) після досягнення точки C (, ) кулька починає рухатися у протилежний бік.

Електромагнітне поле. Електромагнітна хвиля та її характеристики. Густина потоку випромінювання – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Електромагнітне поле. Електромагнітна хвиля та її характеристики. Густина потоку випромінювання

Електромагнітне поле – це особливий вид матерії, за допомогою якого відбувається електромагнітна взаємодія.
Окремими проявами стаціонарного електромагнітного поля є електростатичнеполе і магнітнеполе.
Матеріальність електромагнітного поля доведена численними експериментами Фарадея, Герца та інших учених, які виявили силову дію поля на рухомі заряджені частинки і провідники зі струмом.
Нестаціонарне електромагнітне поле поширюється у просторі у вигляді електромагнітної хвилі.
Отже, Електромагнітна хвиля – це процес поширення електромагнітних коливань (або поширення електромагнітного поля). Одна з основних її властивостей – поперечність: .
Інша важлива властивість така: електромагнітні хвилі усіх λ поширюються у вакуумі з однаковою швидкістю, що дорівнює швидкості світла у вакуумі: м/с.

Шкала електромагнітних хвиль містить хвилі від γ-променів до радіохвиль.
Енергія електромагнітної хвилі складається з енергії електричного поля і енергії магнітного поля: .
Густина енергії поля (тобто енергія поля в ділянці простору одиничного об’єму):
.
Ще одна важлива характеристика електромагнітного поля – густина потоку випромінювання. Так називається добуток w на швидкість хвилі :
.
Отже, густина потоку випромінювання J чисельно дорівнює енергії, що переноситься електромагнітною хвилею за одиницю часу через поверхню одиничної площі, перпендикулярну до напрямку хвилі.
Необхідно зауважити, що коливальний контур із плоским конденсатором – закритий: електричне поле в такому контурі зосереджено в конденсаторі. Для випромінювання контуром у навколишній простір електромагнітних хвиль використовується відкритий контур.

Спрощено одержання такого контуру можна пояснити так: відстань між обкладками конденсатора збільшували доти, доки одна з них перетворилась на антену, а другу заземлили.

Дифракція світла. Дифракційна гратка – Хвильова оптика

Фізика

Хвильова оптика

Дифракція світла. Дифракційна гратка

Дифракція хвиль – це явище огинання хвилями країв неоднорідностей на шляху хвиль. Для світлових хвиль дифракція – це потрапляння світла в ділянки геометричної тіні.

Дифракція чітко виявляється у випадку, коли розміри неоднорідності (наприклад, отвору) сумірні з довжиною хвилі (а). Якщо ж розміри завеликі, вона спостерігається лише на великих відстанях від неоднорідності (б).
Дифракційна гратка (пристрій для вивчення закономірностей дифракції, дослідження спектрів і вимірювання довжин світлових хвиль) являє собою сукупність великого числа вузьких щілин однакової ширини, відокремлених непрозорими проміжками теж однакової ширини. (Принцип виготовлення сучасних граток такий: на загальному непрозорому фоні скла, вкритого тонким шаром алюмінію, мікрорізцем прорізують вузькі “вікна”.)
Різні за якістю дифракційні гратки мають від 300 до 1200 штрихів на міліметр (скла чи алюмінієвого покриття). Сума ширини прозорої ділянки гратки і ширини непрозорої ділянки – це Стала дифракційної граткиD.
Формула дифракційної гратки , де – ціле число.

Світлова картина, яка утворилась би при використанні однієї щілини, була б суто дифракційною, а при використанні гратки утворюється інтерференційна картина як наслідок накладання променів від різних щілин. Отже, даний вираз відповідає умові, якій має задовольняти різниця ходу інтерферуючих променів для утворення інтерференційного максимуму.

Основи молекулярнокінетичної теорії. Броунівський рух – Молекулярна фізика

Фізика

Молекулярна фізика

Молекулярна фізика – це розділ фізики, в якому закони механіки застосовуються не до кожної окремої молекули речовини, а до величезної їх сукупності. При цьому використовуються усереднені фізичні величини (середні швидкість і енергія молекули, середні густина, тиск і т. ін.). Молекулярна фізика вивчає фізичні властивості речовин у різних агрегатних станах.

Основи молекулярнокінетичної теорії. Броунівський рух

Основні положення молекулярно-кінетичної теорії (МКТ) речовини:
1) усі тіла складаються із частинок – молекул, атомів і йонів;
2) частинки перебувають у безперервному хаотичному русі;
3) між частинками будь-якого тіла існують сили взаємодії.
Одним із перших підтверджень положень МКТ стали досліди англійського ботаніка Роберта Броуна, проведені в 1827 р. Розглядаючи в мікроскоп краплину води, в якій містився квітковий пилок, учений виявив безладний рух частинок пилку. Потім Броун і його послідовники спостерігали аналогічний рух інших частинок (різних за розміром, із різних речовин, у тому числі й неорганічних).

Броунівський рух частинок пояснюється некомпенсованими безладними зіткненнями з ними величезної кількості невидимих у мікроскоп молекул рідини.
Поняття моля речовини та закони Авогадро розглядаються і в хімії. Моль – одиниця кількості речовини . Моль – це кількість речовини, яка містить стільки ж її структурних складових (наприклад, атомів або молекул), скільки міститься атомів в 0,012 кг вуглецю.
За сучасним стандартом, хімічний елемент, з якого складається речовина і яка названа тут вуглецем, отримав назву Карбон. Із хімії також відомо, що один і той самий елемент може існувати у вигляді кількох ізотопів (чи нуклідів); вище йшлося про Карбон .
Італійський фізик і хімік Амедео Авогадро у 1811 р. виявив, що різні гази, які займають однаковий об’єм за однакових умов, містять однакове число молекул. В одному молі це число (Стала Авогадро) дорівнює: . Крім того, Авогадро довів, що за нормальних значень тиску й температури моль будь-якого газу займає однаковий об’єм: . Якщо позначити масу одного моля M, то маса однієї молекули: .
Приклад: маса молекули кисню
.
Значення M знаходять, користуючись таблицею Менделєєва, а якщо речовина не атомарна, то ще й формулою речовини. Наприклад:
, ,

.
Оцінюючи розмір деякої молекули, будемо вважати, що молекула являє собою маленьку, щільно впаковану кульку, тоді її об’єм дорівнює . Із формули густини речовини випливає: .
Для однієї молекули
.
Звідси для молекули води:

Таким чином, молекули настільки малі, що за допомогою оптичних мікроскопів побачити їх не можна.

Температура та її вимірювання – Молекулярна фізика

Фізика

Молекулярна фізика

Температура та її вимірювання

Результатом спільного розв’язання записаних для 1 моль основного рівняння МКТ і рівняння Менделєєва – Клапейрона є вираз
,
де – стала Больцмана.
Отже: , або , тобто Температура – це фізична величина, яка є кількісною мірою середньої енергії теплового руху молекул газу.
Дія приладів для вимірювання температури базується на різних фізичних ефектах. Найбільш поширені рідинні (спиртові й ртутні) термометри, в основі дії яких лежить теплове розширення рідин. Є також термометри газові (термометри тиску), електричні (термометри опору) та ін.

Швидкість молекул ідеального газу

Уже відзначалось, що молекули газів рухаються хаотично, тому можна говорити тільки про середню швидкість.
Із виразу отримують формулу середньої квадратичної швидкості молекули . Для зручності домножують і ділять підкорінний вираз на . Тоді .

Ізопроцеси в газах. Абсолютна температурна шкала

Процес у газі – це будь-яка дія, що змінює його стан (нагрівання, охолодження, стиснення). При цьому можуть змінюватись або всі три параметри стану, або два, або навіть один.
Значний інтерес при аналізі пове-дінки газів становлять ізопроцеси. Ізопроцесами називаються процеси, що відбуваються в системі з незмінною масою за сталого значення одного з параметрів стану системи. Алгебраїчні описи ізопроцесів найпростіше отримати, записавши рівняння Клапейрона для двох станів газу:.
При застосуванні цього рівняння по черзі для кожного ізопроцесу параметр, сталий у конкретному випадку, скорочується.
1) (ізотермічний процес). При цьому ( – закон Бойля – Маріотта). Графік цього процесу – ізотерма (а).
2) (ізобарний процес). При цьому – закон Гей-Люссака). Графік цього процесу – ізобара (б).
3) (ізохорний процес). – закон Шарля). Формула Шарля у шкалі Цельсія: , де – температурний коефіцієнт тиску. Графік цього процесу – ізохора (в).

Графік закону Шарля в координатах р і t допомагає легко перейти від температури t до T: якби до найнижчих температур речовина залишалась газоподібною, її тиск зникав би при . Саме цю температуру англійський фізик Уїльям Томсон (Кельвін) запропонував розглядати як нуль у так званій абсолютній чи термодинамічній шкалі температур. Отже: .

Насичена і ненасичена пара. Залежність температури кипіння рідини від тиску

У 8 класі уже розглядались процеси пароутворення шляхом випаровування і кипіння, одночасно з якими відбувається зворотний процес – конденсація. Якщо випаровування перевищує конденсацію, пара над рідиною Ненасичена. При взаємному зрівноваженні цих процесів пара Насичена. Чим вища температура, тим більший тиск насиченої пари.
Температура кипіння рідини зале-жить від зовнішнього тиску. Вона зростає при збільшенні тиску (це використовується в харчовій промисловості й медицині для створення автоклавів). При зниженні тиску температура кипіння знижується (високо у горах окріп виявляється “прохолодкуватим”, а яйце не вдається зварити вкруту).

Закон радіоактивного розпаду – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Закон радіоактивного розпаду

Законом радіоактивного розпаду називається математична залежність числа атомів N, які не розпались протягом деякого часу t після початку відліку (), від початкового числа атомів і від часу t: , де число (основа натурального логарифма), – стала радіоактивного розпаду, яка є характеристикою даної радіоактивної речовини, обернено пропорційною періоду піврозпаду: .
Цю залежність раніше подавали у спрощеному вигляді: , де T – період піврозпаду (час, за який розпадається ядер).

Функція називається експоненціальною функцією, отже кількість “уцілілих” ядер зменшується з часом за експоненціальним законом, графіком якого є спадна крива.

Тиск газів. Пояснення тиску газів на основі молекулярно-кінетичних уявлень – Тиск твердих тіл, рідин, газів

Фізика

Тиск твердих тіл, рідин, газів

Тиск газів. Пояснення тиску газів на основі молекулярно-кінетичних уявлень

Тиск стовпа повітря теж пов’язаний із тяжінням, але власний тиск газу має кінетичну природу. Тиск газу на внутрішню поверхню балону спричиняється ударами величезної кількості молекул газу і залежить від щільності розташування молекул (від густини газу), а також від енергії ударів окремих молекул (від температури газу). Зменшення густини газу і зниження температури зменшують власний тиск газу.

Закон Паскаля. Сполучені посудини – Тиск твердих тіл, рідин, газів

Фізика

Тиск твердих тіл, рідин, газів

Закон Паскаля. Сполучені посудини

Закон Паскаля: зовнішній тиск на газ або рідину передається ними у всіх напрямках однаково (тобто рівномірно, без змін).
Закон Паскаля лежить в основі закону сполучених посудин.
Закон сполучених посудин
1. Будь-яка рідина встановлюється у сполучених досить широких (некапілярних*) посудинах на одному рівні незалежно від їх числа, розмірів та нахилу до горизонту.

2. У сполучених посудинах висоти різнорідних незмішуваних рідин обернено пропорційні їх густинам: .

Прямолінійність поширення світла – Геометрична оптика

Фізика

Геометрична оптика

Прямолінійність поширення світла

Розділ фізики, що вивчає світлові явища, називається Оптикою. У геометричній оптиці використовується поняття світлового променя і розглядаються закономірності поширення світлових променів у різних середовищах і в різних спеціальних оптичних пристроях (наприклад, у лінзах та в приладах, у яких застосовуються лінзи).
В однорідних середовищах і за відсутності перешкод світло поширюється прямолінійно. Це твердження називають законом прямолінійного поширення світла.
В оптиці користуються поняттям Променя світла. Це деякий напрям у просторі, вздовж якого поширюється світло. Отже, закон прямолінійності поширення світла можна сформулювати і так: в однорідних середовищах світлові промені прямолінійні.

Третій закон Ньютона – Динаміка

Фізика

Динаміка

Третій закон Ньютона

Якщо одне тіло діє на інше, то друге тіло діє на перше (тіла взаємодіють). Отже, за третім законом Ньютона: будь-які два тіла діють одне на одне з силами, однаковими за модулем і протилежними за напрямком.

Кристалічні й аморфні тіла. Рідкі кристали – Молекулярна фізика

Фізика

Молекулярна фізика

Кристалічні й аморфні тіла. Рідкі кристали

ІстинноТверді тіла – це кристали. У межах усього тіла дальній порядок зберігається тільки в монокристалах (модель – маленькі кубики, складені в один величезний куб).
У природі монокристали зустрічаються рідко, частіше – полікристали, які складаються з великого числа маленьких монокристалів (кристалітів, зерен), розташованих один відносно одного неупорядковано (модель полікристала – зіставний куб, що розсипався).
Для монокристалів характерна анізотропія – неоднаковість більшості фізичних властивостей речовини (за винятком теплоємності й густини) в різних напрямках.
Полікристали, на відміну від монокристалів, ізотропні (окремий кристаліт анізотропний, але розташування кристалітів невпорядковане).
Крім істинно твердих тіл, кристалів, існують ще й Аморфні тіла. Приклади: різні смоли, віск, скло, пластмаси. Аморфні тіла мають лише ближній порядок. За структурою такі речовини – рідини (дуже в’язкі). При нагріванні, на відміну від кристалічних тіл, аморфні тіла не плавляться, а поступово розм’якшуються. (Завдяки цьому розжареному склу вдається надавати потрібної форми.)
Особливий клас речовин утворюють Рідкі кристали – рідини з дальнім порядком, який, на відміну від твердих кристалів, спостерігається тільки в одному напрямі. Зараз відомо понад 3000 різних рідкокристалічних речовин, багато з яких біологічного походження. Приклад: мозок людини, який має складну рідкокристалічну структуру; дезоксирибонуклеїнова кислота (рідкий кристал із величезних молекул).
Сфери застосування рідких кристалів: цифрова індикація; перетворення інфрачервоного випромінювання на видиме; виготовлення плоских екранів моніторів; термоіндикація; ультразвукова медична діагностика.

Зв’язок температури тіла зі швидкістю руху його молекул. Агрегатні стани речовини – Початкові відомості про будову речовини

Фізика

Початкові відомості про будову речовини

Зв’язок температури тіла зі швидкістю руху його молекул. Агрегатні стани речовини

На початковій стадії вивчення фізики про температуру t тіл можна говорити, лише оперуючи побутовими поняттями “гарячий” і “холодний” та враховуючи, що всі знайомі з побутовими термометрами (адже відомо, що гарячим тілам відповідають більш високі показання термометра, ніж холодним).
Незважаючи на безладний рух молекул, тверді тіла і рідини не розпадаються самочинно на окремі молекули. Це пояснюється притяганнямміж молекулами. Притягання особливо значне на малих відстанях між молекулами, за низьких температур; речовина при цьому перебуває у твердому стані. За досить високих температур тверді речовини переходять у рідкий стан, у якому середня відстань між молекулами більша, а взаємне притягання молекул слабкіше. Нарешті, у газоподібному стані речовини відстані між молекулами настільки великі, що міжмолекулярне притягання практично відсутнє і взаємодія молекул зводиться до відштовхування при зіткненнях.
Фізичні властивості речовини в різних агрегатних станах істотно відрізняються. Тверді тіла мають власні розміри, добре зберігають форму і відзначаються порівняно великою міцністю. Рідини не мають власної форми, а набувають форми посудини, їм властива плинність. І тверді тіла, і рідини мало стисливі. Нарешті, поняття форми зовсім не властиве газам. Вони характеризуються значною стисливістю при зовнішній дії, мають властивість леткості, дифузійні процеси в них протікають швидше, ніж у рідинах та твердих тілах.

Фотоелектричний ефект і його закони. Рівняння фотоефекту – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Фотоелектричний ефект і його закони. Рівняння фотоефекту

Фотоелектричний ефект – це виліт електронів із речовини під дією світла (переважно ультрафіолетового), інакше кажучи, це – фотоелектронна емісія. Відкрив фотоелектричний ефект у 1887 р. Генріх Герц, помітивши, що для іскрового розряду між яскраво освітленими цинковими кульками потрібна менша різниця потенціалів, ніж коли кульки не освітлені.
Дослідники природи фотоефекту Ф. Ленард, О. Г. Столєтов, В. Гальвакс виявили такі закономірності (закони фотоефекту):
1) Збільшення енергії світла незмінної не збільшує швидкості вилітаючих з речовини електронів. Швидкість збільшується при збільшенні частоти (а отже, зменшенні довжини хвилі) світла.
2) Для кожної речовини існує “червона межа” фотоефекту, тобто така довжина хвилі світла, перевищення якої призводить до зникнення фотоефекту.
3) Збільшення енергії світла незмінної збільшує силу фотоструму насичення на вольт-амперній характеристиці фотоефекту (відкрив О. Г. Столєтов).

Користуючись уявленнями хвильової теорії світла, фізики намагались пов’язати виліт електрона з металу з вимушеними коливаннями електрона у змінному електричному полі світлової хвилі. Але дослідні факти не знаходили пояснення в рамках цієї теорії. Зокрема, незрозумілою була відсутність залежності v від W світла (адже збільшення W мало б збільшувати амплітуду коливань електрона і сприяти його вильоту з речовини із більшою v).
Для пояснення законів фотоефекту Ейнштейн запропонував рівняння фото-ефекту:
,
де – робота виходу (тобто робота, яка повинна бути здійснена для видалення електрона з речовини у вакуум або в повітря), m – маса електрона.
Пучок світла розглядався Ейнштейном як сукупність N фотонів. При такому підході можна пояснити всі закономірності фотоефекту.
1) Енергія пучка монохроматичного () світла , де N – число фотонів у пучку. На сучасному етапі в лазерних пучках світла може реалізуватись багатофотонний фотоефект. Якщо електрон взаємодіє лише з одним фотоном із пучка, то збільшення N за незмінної величини не впливає на . Зі збільшенням зростає , а отже і .
2) Якщо , то енергія фотона виявляється меншою, ніж .
3) Щодо закону Столєтова: збільшення енергії пучка світла даної відбувається за рахунок збільшення числа фотонів у пучку, що призводить до збільшення числа фотоелектронів (рух яких і створює фотострум). Унаслідок цього спостерігається зсув ділянки насичення на вольт-амперній характеристиці у бік більших значень сили струму І.
Сфери застосування фотоефекту: у різних фотореле (для вмикання і вимикання освітлення вулиць, світла маяків і бакенів, двигунів верстатів); в техніці запису і відтворення звуку в кіно; в авіаційній і космічній техніці (зокрема – у сонячних батареях), на транспорті (застосування фотоефекту в пропускних механізмах метрополітену).

Електричний опір. Питомий опір. Види з’єднань провідників – Електричні явища

Фізика

Електричні явища

Електричний опір. Питомий опір. Види з’єднань провідників

Електрони провідності рухаються в металі між зарядженими атомами (іонами), з яких утворений кристал. Спрощено кажучи, електрони зазнають зіткнень з іонами, які коливаються і чинять опір рухові заряджених частинок. Процес опору характеризують фізичною величиною R (від англ. resistance) – опором. Ця величина залежить від геометричних розмірів провідника (довжини L, площі поперечного перерізу S) і від природи матеріалу провідника:
.
Коефіцієнт пропорційності називається Питомим опором. Назва стає зрозумілою з формули
,
тобто чисельно дорівнює опору провідника одиничної довжини і одиничної площі поперечного перерізу:
, або .
Одиницю опору назвали омом на честь німецького фізика Георга Ома; .
У багатьох випадках у різних електричних схемах потрібно з’єднувати провідники: або один за одним (послідовно), або “пучком” (паралельно). У першому випадку опір з’єднання більший за опір окремих провідників, у другому випадку – менший.

Кількість теплоти та її порівняння з роботою – Теплові явища

Фізика

Теплові явища

Кількість теплоти та її порівняння з роботою

Подібно до того, як робота A є кількісною мірою зміни енергії тіла (чи системи тіл) механічним способом, Кількість теплотиQ (від англ. quantity) є мірою зміни енергії тіла при теплообміні. І при виконанні над тілом зовнішньої роботи, і при теплообміні тіла з більш нагрітим тілом внутрішня енергія тіла зростає на ∆U. Враховуючи, що в першому випадку зменшується механічна енергія “активного” тіла, а в другому випадку зменшується енергія теплового руху молекул більш нагрітого тіла, можна записати так: , , де DW < 0.
Зрозуміло, що = = = Дж.
Кількість теплоти Q не може “міститися” в тілі, не може, як і робота, “витрачатися”; система може отримати або віддати Q.

Нерівномірний рух. Середня і миттєва швидкості. Прискорення – Кінематика

Фізика

Кінематика

Нерівномірний рух. Середня і миттєва швидкості. Прискорення

Якщо матеріальна точка рухається прямолінійно, але нерівномірно, то бистроту руху можна характеризувати або середньою швидкістю, або миттєвою.
Є дві різні фізичні величини, що називаються Швидкістю: швидкість-вектор (характеризує бистроту зміни переміщення ) і швидкість-скаляр, або шляхова швидкість (пов’язана не з переміщенням , а зі шляхом s).
Середню швидкість можна обчислити за формулами: , .
Миттєва швидкість – це швидкість матеріальної точки в даний момент. Її одержують, розглядаючи малі проміжки часу і відповідні їм малі відрізки шляху чи переміщення. Обмежимось записом – скаляра.
За допомогою понять границі (від латин. limes або limitis) і похідної можна записати миттєву швидкість так: .
Прискорення характеризує бистроту зміни швидкості нерівномірного руху і позначається а (від англ. aсceleration).
Як і швидкість, прискорення може бути або вектором, або скаляром; або середнім, або миттєвим – у залежності від того, бистроту якої швидкості (вектора чи скаляра) воно характеризує:
;
;
.

Радіоактивність – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Радіоактивність

Радіоактивність – це самочинне перетворення ядер одних атомів на ядра інших атомів. Радіоактивність відкрив у 1896 p. Анрі Беккерель. Учений виявив, що солі урану діють на загорнуту в чорний папір фотопластинку подібно до того, як діє світло безпосередньо на фотоемульсію. Беккерель довів, що джерелом невидимого випромінювання є уран, а не хімічні елементи, що входять до складу його солей. Подружжя Марія Склодовська-Кюрі і П’єр Кюрі виявили подібне випромінювання і у торію, а потім – у відкритих ними полонію і радію.
Резерфорд відкрив розщеплення радіоактивного випромінювання в магнітному полі на три компоненти. Потім таке розщеплення було одержано і в електростатичному полі.

Більш інертну частину пучка (вона слабкіше відхилялася до негативно зарядженої пластини) назвали -променями.
Частину пучка випромінювання, що притягалася до позитивно зарядженої пластини і значно змінювала свій напрям, назвали -променями.
Частину пучка, що не змінювала напряму, назвали -променями.
З усіх трьох компонентів дійсно променями є тільки γ, а α і β – не промені, а частинки (α-компонент – це потік ядер гелію, β-компонент – електрони, швидкості яких близькі до швидкості світла).

Коротке замикання. Плавкі запобіжники – Електричні явища

Фізика

Електричні явища

Коротке замикання. Плавкі запобіжники

Якщо випадково опір кола стає дуже малим (близьким до нуля), то виникає Коротке замикання. Сила струму (згідно із законом Ома) значно збільшується, внаслідок чого виникає потужне тепловиділення в колі.
Наслідком короткого замикання може бути розплавлення провідників, горіння їх ізоляції, а потім і оточуючих предметів. Можливість виникнення короткого замикання зростає при недотриманні правил безпечного електрокористування.
Один з найпростіших способів запобігання коротким замиканням є увімкнення в повне коло споживача чи в схему окремого приладу Легкоплавких запобіжників – тоненьких мідних чи навіть свинцевих дротинок.

Якщо сила струму в колі раптово досягає максимально припустимого значення, запобіжник розплавлюється, розмикаючи коло. Легкозамінні плавкі запобіжники є складовими побутового пробкового запобіжника.

Закон взаємодії провідників зі струмом. Ампер – Магнетизм

Фізика

Магнетизм

Закон взаємодії провідників зі струмом. Ампер

Закон Ампера: два дуже (“нескінченно”) довгі прямолінійні провідники зі струмом і взаємодіють у повітрі з силами, модуль кожної з яких: .
Якщо , м, довжина ділянки провідників у межах магнітного поля м, то .
Це й є визначення одиниці сили струму (одному амперу відповідає ось така маленька сила взаємодії провідників).

Молекули. Рух молекул. Дифузія – Початкові відомості про будову речовини

Фізика

Початкові відомості про будову речовини

Молекули. Рух молекул. Дифузія

У природі всі речовини утворюються з дрібних структурних складових, як величезний цегляний будинок – з окремих цеглинок. Складовими більшості речовин є молекули – угруповання з кількох ще дрібніших частинок, атомів. Але існують і прості речовини, з атомарною структурою (алмаз і графіт, утворені з атомів карбону; метали).
Атом – найдрібніша хімічно неподільна частинка хімічного елемента, яка зберігає його хімічні властивості, а Молекула – найдрібніша стійка частинка речовини, що зберігає всі її хімічні властивості.
Багатьма дослідженнями доведено, що молекули всіх речовин знаходяться у стані безперервного неупорядкованого руху. Ці уявлення лежать в основі молекулярно-кінетичної теорії будови речовини.
Внаслідок хаотичного руху молекул спостерігається довільне (самочинне) перемішування контактуючих речовин, яке відбувається шляхом поступового проникнення однієї речовини в іншу. Такий процес називається Дифузією. Це викликане хаотичним рухом проникнення молекул однієї речовини в міжмолекулярні проміжки іншої речовини.
Приклади дифузії: поширення запахів у повітрі, поява кольору у безбарвної рідини при додаванні до неї якогось барвника і т. ін.

Поляризація світла – Хвильова оптика

Фізика

Хвильова оптика

Поляризація світла

Світлову хвилю графічно зображають двома взаємно перпендикулярними сину-соїдами. Цей графік відповідає елементарній хвилі, тобто хвилі, яку випромінював би один збуджений атом в одному акті випромінювання. При цьому вектор коливається вздовж однієї прямої (OZ) у двох напрямках у межах єдиної площини (XOZ), а вектор – уздовж OY в межах XOY. У більшості оптичних явищ основну роль відіграє електричне поле світлової хвилі, то ж можна розглядати тільки коливання вектора (“світлового вектора”).

Світловий промінь елементарної (по-одинокої) хвилі в принципі поляризований. Але макроджерела світла (реальні джерела) складаються з величезного числа частинок-випромінювачів. Крім того, просторова орієнтація векторів в різні моменти актів випромінювання окремою частинкою хаотична. Отже, в загальному випромінюванні напрямки в кожний момент часу випадкові, непередбачувані. Тому природне світло неполяризоване. Його можна перетворити на поляризоване пропусканням через прозорі природні монокристали (такі як ісландський шпат, турмалін) або через штучні поляризатори (поляроїди).
Можна схематично зобразити природний (а) і поляризований (б) промені; у центрі кружечок – слід перетину променя OX із площиною рисунку:

Явище поляризації світла є одним із доказів поперечності світлової хвилі.

Ідеальний газ. Основне рівняння мкт ідеального газу – Молекулярна фізика

Фізика

Молекулярна фізика

Ідеальний газ. Основне рівняння мкт ідеального газу

Подібно до використання в механіці ідеалізованого поняття матеріальної точки, в молекулярній фізиці використовують поняття Ідеального газу як величезної сукупності матеріальних точок, які не взаємодіють одна з одною на відстані.
За умови достатньо низького тиску і високої температури реальні гази (азот, кисень та ін.) за своїми властивостями близькі до моделі ідеального газу.
Основним рівнянням МКТ ідеального газу є математичний вираз тиску газу через концентрацію його молекул (де V – об’єм), масу кожної молекули і квадрат середньої швидкості молекули:
.

Залежність тиску рідини від швидкості її течії – Динаміка

Фізика

Динаміка

Залежність тиску рідини від швидкості її течії

Швидкість потоку рідини пов’язана з тиском рідини.
Саме на залежності тиску в повітряному потоці від його швидкості базується виникнення підіймальної сили, що діє на крило літака.
На рисунку зображено горизонтальну трубку змінного перерізу, через яку рухається рідина. Вона не накопичується в окремих ділянках трубки, не утворює порожнин. Тому через будь-який переріз трубки за 1 с проходить однакова кількість рідини.

Отже, швидкість рідини у звуженнях більша.
Наслідком закону збереження енергії під час пересування рідини в трубці змінного перерізу є закон Бернуллі:
,
де p – тиск, – густина, v – швидкість рідини.
Із закону Бернуллі випливає, що в тих перерізах трубки, де швидкість рідини менша, тиск рідини більший. На рисунку у місці звуження швидкість рідини більша, тому тиск менший .

Електромагнітна індукція. Індукційне електричне поле. Закон електромагнітної індукції – Індукційні явища

Фізика

Індукційні явища

Електромагнітна індукція. Індукційне електричне поле. Закон електромагнітної індукції

У результаті численних дослідів Майкл Фарадей у 1831 р. виявив таке: будь-яка зміна магнітного потоку крізь якийсь контур викликає появу електричного поля, а якщо контур замкнений і провідний, то в ньому виникає струм. Це явище одержало назву закону електромагнітної індукції.
Електричне поле і струм, які виникають при цьому, називаються Індукційними. Відомо, що поле електричних зарядів (електростатичне поле) характеризується незамкненими лініями вектора . На відміну від цього поля, електричне поле, породжуване змінним магнітним полем (магнітним вихором), характеризується замкненими лініями вектора і називається вихровим (як і магнітне поле).
Для кількісного опису явища електромагнітної індукції користуються поняттям електрорушійної сили індукції, яка чисельно дорівнює бистроті зміни магнітного потоку . Цей вираз (закон Фарадея) у правій частині доповнили знаком “–”, який відображує правило Ленца: індукційний струм спрямований так, що його магнітне поле протидіє тій зміні магнітного потоку, яка викликала даний струм.
Отже, .

Гучність звуку і висота тону. Луна – Коливання і хвилі

Фізика

Коливання і хвилі

Гучність звуку і висота тону. Луна

Звукові хвилі мають об’єктивні характеристики, наприклад енергія хвилі W або інтенсивність хвилі І.
Інтенсивність хвилі виражається формулою . Отже, вона чисельно дорівнює енергії, яку переносить хвиля протягом секунди через одиничну площадку в просторі.
Крім того, звук має додаткові характеристики – гучність звуку і висота тону.
Гучність звуку визначається не тільки об’єктивними властивостями звуку (чим більше значення I, тим більша гучність), але й індивідуальними особливостями органів слуху людини.
Висота тону звуку (звукова тональність) визначається об’єктивною характеристикою – частотою: чим більша , тим вищий тон звуку при його слуховому сприйнятті.
Звукова хвиля, досягаючи деякого тіла,- це може бути стіна будівлі, дерево, гора, хмара,- відбивається за таким самим законом, як і світлова хвиля (кут відбивання дорівнює куту падіння). Якщо відбиваюча поверхня досить віддалена, то людина чує не лише звук від його джерела, але й відбитий через деякий час звук, який називається Луною.

Око людини як оптичний прилад. Дефекти зору. Окуляри. – Геометрична оптика

Фізика

Геометрична оптика

Око людини як оптичний прилад. Дефекти зору. Окуляри.

Людське око – це складна оптична система, розміщена в захисній білковій оболонці 1. До неї прилягають судинна 2 і сітчаста 3 оболонки.

Сітківка 3 складається з малесеньких світлочутливих елементів, що є закінченнями волокон зорового нерва 4, з’єднуючого око з мозком.
У передній частині ока білкова оболонка переходить у прозору роговицю 5, а судинна оболонка – у райдужну оболонку 6, в якій є отвір – зіниця. Позаду зіниці знаходиться кришталик 7 – прозоре пружне тіло у формі двоопуклої лінзи.

Зображення предмета, утворюване кришталиком на сітківці, дійсне, перевернуте і зменшене. Правильне уявлення людини про предмет – результат діяльності мозку.
Навіть такий досконалий витвір природи, як око, буває з дефектами, серед яких найпоширеніші – короткозорість і далекозорість.


У першому випадку кришталик утворює чітке зображення предмета перед сітківкою, а у другому – позаду неї.

Для коригування короткозорості людина має користуватись спеціально підібраними окулярами із розсіювальними лінзами.

Для коригування далекозорості користуються окулярами із збиральними лінзами. Тоді чітке зображення буде формуватися на сітківці ока.

Перетворення одного виду механічної енергії на інший – Робота і потужність. Енергія

Фізика

Робота і потужність. Енергія

Перетворення одного виду механічної енергії на інший

На рисунку зображено кульку, що падає з висоти на опору (на плиту).

У початковому положенні A (позиція а) кулька має лише потенціальну енергію. У точці C (позиція б) , бо частина початкової потенціальної енергії перетворилась на енергію руху. Таким чином, повна механічна енергія кульки в точці C є сумою і (позиція б).

У точці B (у момент падіння кульки, позиція в) є лише . Унаслідок виникнення сил пружності при деформуванні кульки і плити кулька починає рухатись угору – пружно відскакує від плити. У точці C (позиція г) ситуація буде така сама, як і в позиції б, тобто повна механічна енергія тіла буде сумою і .
Якби не було тертя й опору повітря, то повна механічна енергія кулькизалишилась би незмінною.

Принцип відносності Галілея – Динаміка

Фізика

Динаміка

Принцип відносності Галілея

Принцип відносності Галілея є узагальненням спостережень і досліджень багатьох фізиків і стосується всіх інерціальних систем відліку (ICB).
1. Ніякими механічними експериментами всередині ICB не можна встановити, чи знаходиться вона у спокої, чи рухається прямолінійно і рівномірно.
Приклад: пасажир корабля поклав на полірований стіл гладеньку кульку і виявив, що вона не котиться. Отже, па-сажир не може з’ясувати, чи рухається корабель без прискорення, чи стоїть на якорі.
2. Заміна однієї ICB на іншу не впливає на жоден механічний процес.
Інакше кажучи, всі ІСВ цілком рівноправні.

Деформація. Сила пружності – Взаємодія тіл

Фізика

Взаємодія тіл

Деформація. Сила пружності

Деформацією Називається зміна форми чи розмірів тіла внаслідок зовнішньої дії на нього. Залежно від своїх властивостей деформоване тіло або відновлює початкову форму чи розміри за умови припинення зовнішньої дії, або ні. У першому випадку тіло називають Пружним (приклади: пружина, гумовий шнур), у другому – Непружним, Пластичним (наприклад, стрижень із пластиліну).
У процесі пружної деформації виникає Сила пружності. Чисельне значення цієї сили тим більше, чим більше змінюються розміри тіла. Зокрема, сила пружності деформованої пружини пропорційна її видовженню.

Вага як окремий випадок сили пружності

На людину, яка сидить у кріслі, діє сила тяжіння, внаслідок чого людина діє на сидіння. Так само на люстру діє сила тяжіння, а люстра діє на підвіс.
Вагою даного тіла P називається сила, з якою деяке тіло діє на опору чи на підвіс.
Не слід плутати вагу і силу тяжіння, вони не є синонімами. Приклад: на хлопчика, який стоїть на дошці, діє сила тяжіння , хлопчик діє на дошку силою Р (вага хлопчика); дошка, деформуючись, діє на хлопчика силою пружності . Ще наочніше деформування ілюструє приклад з масивною гирею, покладеною на тоненьку дошку (опору).

Сила Р, з якою гиря діє на дошку, тобто вага тіла, і сила пружності мають спільну природу: вони обидві пружного, а не гравітаційного, як сила тяжіння , походження. До подібного висновку приводить і розглядання деформації у випадку підвісу.

Поглинена доза випромінювання. Захист від опромінення – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Поглинена доза випромінювання. Захист від опромінення

Дія випромінювань на живі організми характеризується дозою випромінювання. Поглиненою дозою випромінювання D називається відношення поглиненої енергії іонізуючого випромінювання до маси опромінюваної речовини: , .
Іонізуюче випромінювання шкідливо впливає на біологічні об’єкти: порушуються процеси клітинного поділу, дуплікації генетичного матеріалу, що призводить до серйозних захворювань. Природний фон радіації для людини складає Гр на рік. Доза понад 3 Гр, одержана за короткий термін, смертельна.
Найпростіший захист людей від випромінювання – це віддаленість від його джерела. Якщо цього досягти не вдається, необхідно використовувати екрани із свинцю, оточувати потужні джерела стінами з бетону (завтовшки декілька метрів).

Інерція. Маса тіла – Взаємодія тіл

Фізика

Взаємодія тіл

Інерція. Маса тіла

Будь-яке тіло під дією деякої сили змінює стан свого руху (чи відносного спокою) не миттєво. Немиттєвість зміни стану руху тіла під дією сили є проявом інертності тіла.
Інертність – це властивість тіл зберігати незмінною свою швидкість за умови відсутності зовнішньої дії. Явище збереження тілом при цьому своєї швидкості називається Інерцією.
Кількісну міру інертності називають МасоюM, . Еталоном кілограма є виготовлений зі сплаву платини з іридієм суцільний циліндр, висота і діаметр якого дорівнюють 39 мм.

Густина речовини

Однорідні тіла з однієї речовини, але різні за розміром мають різні маси: чим більший об’єм тіла V, тим більша його маса m: .
Коефіцієнт пропорційності між m і V одержав назву густини речовини.
Звідси , .
Отже, Густина – це фізична величина, що дорівнює відношенню маси однорідного тіла до його об’єму. Можна сказати й інакше: Густина – це маса речовини одиничного об’єму.

Досліди Резерфорда. Ядерна модель атома – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Досліди Резерфорда. Ядерна модель атома

Одночасно з моделлю Томсона японський фізик Хантаро Нагаока розробив іншу модель, з умовною назвою “сатурніанський атом”. У ній припускалось, що електрони по спільній орбіті (як по “кільцю Сатурна”) рухаються навколо позитивно зарядженого ядра.
Здійснити вибір між цими двома моделями атома дозволили результати дослідів, проведених в Англії, в лабораторії Ернеста Резерфорда його учнями Ернестом Марсденом і Гансом Гейгером.
На металеву фольгу F, розташовану в центрі вакуумної камери К, спрямовували потік α-частинок (ядер гелію), які вилітали з радіоактивного препарату R; через мікроскоп М спостерігали (за спалахами світла на екрані S з сірчистого цинку) їх розсіювання фольгою.

Мікроскоп разом з екраном обертали навколо осі, що проходила через центр камери; це дозволяло реєструвати α-частинки, розсіювані під різними кутами. Було виявлено, що більшість частинок проходять крізь фольгу майже безперешкодно, але невелика кількість частинок відкидається майже назад, відхиляючись ядром.
Експерименти переконливо довели недостовірність моделі Томсона та існування ядер в атомах. Таким чином, було обгрунтовано Ядерну модель атома (атом Резерфорда).

Принцип дії теплових двигунів. Ккд теплового двигуна – Термодинаміка

Фізика

Термодинаміка

Принцип дії теплових двигунів. Ккд теплового двигуна

Тепловими двигунами називаються періодично діючі пристрої, що перетворюють теплову енергію на механічну. Робоче тіло двигуна (газ), розширюючись під час взаємодії з нагрівником та одержуючи від нього кількість теплоти , виконує роботу проти зовнішніх сил. Повертається газ до початкового стану під зовнішньою дією і при цьому віддає кількість теплоти охолоджувачу (“холодильнику”). Різниця дорівнює роботі , яку виконує тепловий двигун за 1 цикл (круговий процес).
ККД будь-якого теплового двигуна:
.
Розрахунки, виконані Саді Карно, показали, що максимальний ККД обчислюється так:, де і – температури нагрівника та охолоджувача.
Різновидом теплового двигуна є і двигун внутрішнього згоряння.

Гальванічні елементи. Акумулятори – Електричні явища

Фізика

Електричні явища

Гальванічні елементи. Акумулятори

Найперші джерела струму одержали свою назву на честь італійського фізика Луїджі Гальвані. Прикладом гальванічного елемента може бути елемент конструкції італійського фізика Алессандро Вольти (1799 р.).
Мідна і цинкова пластинки занурені у водний розчин сірчаної кислоти . Цинк і мідь розчиняються в кислоті. У результаті хімічних процесів мідь стає позитивним електродом (зарядженим позитивно стосовно цинку), а цинк – негативним. Через зовнішній провідник R іде струм при замкненні ключа К (за напрям струму прийнятий напрям руху зарядів від позитивного електрода до негативного).

Гальванічні елементи – це джерела струму з невідновлюваним запасом електричної енергії (наприклад, батарейки для калькуляторів, годинників, ліхтариків та ін.).
Пізніше було винайдено джерела струму, енергію яких можна відновлювати, – Акумулятори (від латин. “збирач”). Прикладом акумулятора може бути свинцево-кислотний акумулятор. Якби у водний розчин сірчаної кислоти занурили два однакові електроди, вкриті оксидом свинцю, то вони за рахунок хімічного розчинення свинцю в кислоті мали б однакову електричну полярність (негативну). Акумулятор спочатку заряджають від джерела постійного струму. У результаті електролізу на електроді, з’єднаному з позитивним полюсом джерела зарядки, виділяється Оксиген, а на з’єднаному з негативним полюсом – Гідроген. Перший з них викликає додаткове окиснення матеріалу електрода, другий – реакцію відновлення металевого свинцю з його оксиду. Внаслідок цього акумулятор виявляється зарядженим. Напрям струму розрядки через провідник R протилежний напряму струму зарядки, а полярність електродів акумулятора незмінна.

Напруженість електричного поля – Електростатика

Фізика

Електростатика

Напруженість електричного поля

Електричне поле має властивість діяти на заряджені тіла, тому в будь-якій точці його можна досліджувати за допомогою “пробного заряду” – точкового позитивного заряду, значно меншого за заряд, який створює досліджуване поле.
Відношення сили, з якою поле в даній точці діє на пробний заряд, до значення цього заряду називається Напруженістю електричного поля в даній точці:
, , .
Вміщуючи пробний заряд у різні точки поля, проводять лінії напруженості. Якщо вони прямі, то вектор напрямлений уздовж них, а якщо криві – вздовж дотичних до них. Густота ліній напруженості чисельно дорівнює (або пропорційна) значенню напруженості.
Лінії напруженості електростатичного поля (силові лінії) незамкнені: починаються на позитивних зарядах, а закінчуються на негативних; вони неперервні й не перетинаються.
Напруженість поля точкового заряду:
.
Електричне поле між двома паралельними різнойменно зарядженими пластинами, а також поле плоского конденсатора однорідні, тобто напруженість кожного із цих полів у будь-якій точці однакова і чисельно, і за напрямком.

Ознакою однорідності поля є паралельність його силових ліній.

Енергія електричного поля – Електростатика

Фізика

Електростатика

Енергія електричного поля

Енергію поля зарядженого конденсатора можна розрахувати як роботу, що виконується полем конденсатора в процесі його розрядки:
.
Енергію електростатичного поля можна записати й інакше:
1) Виражаючи q із формули , отримують: .
2) Виражаючи U із формули , отримують: .

Склад ядра атома. Дефект маси. Енергія зв’язку атомних ядер – Квантова оптика

Фізика

Квантова оптика

Склад ядра атома. Дефект маси. Енергія зв’язку атомних ядер

Тривалий час фізики вважали, що до складу ядер важких атомів можуть входити поряд із протонами електрони. Лише в 1932 р. український фізик Д. Д. Іваненко і німецький фізик В. Гейзенберг теоретично довели, що ядра всіх атомів, крім водню , містять крім протонів і нейтрони. Існування нейтрона експериментально виявив у 1932 р. англійський фізик Дж. Чедвік. Нейтрон не має результуючого заряду, за масою близький до протона, але все ж дещо масивніший: ; ; (, і – маси нейтрона, протона і електрона відповідно).
І протон, і нейтрон – нуклони, ядерні частинки (від англ. nucleus – ядро). Більшість хімічних елементів може існувати у вигляді кількох ізотопів (речовин, у ядрах атомів яких міститься однакове число протонів , але різне число нейтронів ).
Символічно ядро позначається , де (зарядове число), (масове число). Приклади ізотопів: ізотопи водню (“звичайний” водень або протій), (дейтерій), (тритій); ізотопи урану , (У хімії термін “ізотопи” – збиральний, окремо кажуть “нуклід”).
Маса “готового” ядра менша від суми мас його нуклонів.
Різниця називається Дефектом мас ядра. Дефекту мас відповідає енергія зв’язку Eзв нуклонів у ядрі (енергія, з якою вони утримуються там або яка потрібна для поділу всього ядра на окремі нуклони). Цю енергію прийнято виражати в позасистемних одиницях енергії – електрон-вольтах (1еВ дорівнює Дж, отже Дж). Як правило, розглядають питому енергію зв’язку .


З графіка залежності питомої енергії зв’язку від масового числа A очевидні два способи вивільнення внутрішньоядерної енергії: поділ важких ядер (наприклад, ) на більш легкі; злиття легких ядер, наприклад ізотопів водню, у більш важкі – синтез більш важких ядер (наприклад, гелію).

Поняття тиску. Тиск твердих тіл і рідин – Тиск твердих тіл, рідин, газів

Фізика

Тиск твердих тіл, рідин, газів

Поняття тиску. Тиск твердих тіл і рідин

ТискомР (від англ. pressure) називається величина, яка чисельно дорівнює значенню сили, що діє на одиницю площі поверхні перпендикулярно до цієї поверхні: .
Одиниця вимірювання тиску – паскаль, . Приклад: йдучи по снігу у черевиках, людина чинить на снігову поверхню значно більший тиск, ніж рухаючись на лижах.

Стовпчик рідини висотою h у посудині чинить на її дно тиск , де – густина рідини.
Тиск у нерухомих рідинах називають статичним тиском. У рухомих середовищах до нього приєднується динамічний тиск.