11054 (567495), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Дайте представления о модели гармоничного осциллятора и использование этой модели. Что такое «когерентность», «резонанс», «поляризация».
Физическая система, совершающая колебания, называется осциллятором. Гармонический осциллятор – определяемый колебаниями массы, прикрепленной одним концом к пружине, является самым простым примером гармонического движения. Если сместить массу, а затем воздействие устранить, то со стороны пружины на массу будет действовать возвращающая сила, направленная в сторону, противоположную силе вызвавшей смещение (трение отсутствует). Для небольших смещений возвращающая сила
F=-kх.
Для закона простого гармонического колебания можно использовать 2 закон Ньютона
F=MW=-KX
откуда ускорение равно
w=-(k/m)x.
Основной закон простого гармонического колебания - ускорение материальной точки математического маятника пропорциональна смещению. при малой амплитуде почти каждый колебательный процесс можно считать гармоническим. Период колебания маятника определяется его длиной и не зависит от массы маятника. Гармонические колебания описываются функцией:
A=A0+Asin(kt+φ0),
где A, A0, φ0, k- постоянные величины. A – амплитуда колебаний, kt+φ0 – фаза, A0 – центр гармонического колебания, k – круговая частота. (2/k)=T – период колебаний, (1/T)=V – частота.
Если амплитуда убывает, то колебания затухающие, если под действием повторяющейся внешней силы- вынужденные, если за счет внутренних сил системы, после выделения системы из состояния равновесия – свободные колебания.
Гармонический источник возбуждает монохроматическую волну. Если колебание проходит по гармоническому закону, то при распространении волны от источника до точки волна происходит с запозданием. В плоской волне амплитуда одинакова везде, а в сферической – убывает обратно пропорционально квадрату радиуса.
Если тело участвует в нескольких волновых движениях , то эти движения складываются в одно. Волновое движение образуется, если частиц много и они связаны между собой. Каждая из колеблющихся частиц испытывает влияние сил, стремящихся вернуть их в первоначальное положение. Если сами частицы или частицы пружины больших движений не совершают , то вдоль пружины распространяется импульс.
Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний при совпадении частот вынуждающей внешней силы с собственной частотой системы, называется резонансом. Явление имеет простой характер, если внешнее воздействие не меняет колебательных свойств системы, и свойства системы не меняют внешнего воздействия. Если отношения частот колебаний кратны отношению целых чисел, эти частицы находятся в резонансе. При этом может происходить взаимодействие тел. Если оно поддерживает кратность частот, то резонанс носит устойчивый характер. Свойства резонанса обеспечивают устойчивость вращения и обращений в солнечной системе.
Одним из свойств волн, которые совершают гармонические колебания, является поляризация. Явление поляризации, свойственно только поперечным волнам, состоит в следующем: луч света, проходя через два кристалла шпата, подвергался двойному лучепреломлению в зависимости от взаимной ориентации осей кристаллов. Двойное лучепреломление всегда возникает при отражении луча от поверхности и только угол меняется в зависимости от коэффициента преломления вещества. Закономерности поляризации были изучены в 1815 году , но были объяснены только через 7 лет. Направление поляризации связывают с направлением вектора, плоскость поляризации – это плоскость содержащая вектор и направление распространения волны. Вектор перпендикулярен плоскости поляризации. Большинство источников испуская некогерентный и неполяризованный свет, когда направление непрерывно меняется в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. При пропускании неполяризованного света через поляризатор можно сделать его поляризованным. В качестве поляризатора может служить экран из тонких параллельных проволочек для микроволнового излучения или фильтр из кристаллической пластинки.
Когерентность – согласованное протекание во времени и в пространстве несколько колебательных и волновых процессов, проявляющихся при их сложении. Когерентность излучения волн синхротрона доказал Прохоров в 1951 году. Его разработки молекулярных стандартов частоты и времени привели к создания первого мазера, после чего были созданы лазеры, мазеры. Лазер использовался дл проверки эффектов теории относительности и приложений к биологии и медицине.
Приведите уравнение состояния идеального газа. Какая величина является мерой средней кинетической энергии молекул? Определить температуру идеального газа, если средняя кинетическая энергия поступательного движения его молекулы, равна 7,87*10Е-21Дж
Идеальный газ – теоретическая модель газа, в которой не учитывается взаимодействие частиц газа (средне кинетическая энергия частиц много больше энергии их взаимодействия). Газ – это совокупность слабо связанных части атомы в газах находятся на значительном расстоянии друг от друга и обладают свободой движения, хаотически сталкиваясь друг с другом и со стенками сосуда. Идеальный газ – это газ молекулы которого пренебрежимо малы, свободно двигаются и сталкиваются по законам упругого удара. Частицы принимаются за материальные точки, взаимодействующие на расстоянии.
Различные тела могут быть в разных агрегатных состояниях – газообразном, жидком, твердом или в виде плазмы. Но они имеют общее в своем строении . элементарная молекулярно- кинетическая теория газов основана на классической механики, а молекулы представляются материальными точками. Газовые законы были получены эмпирически для равновесного состояния.
Газовые законы:
Закон Бойля-Мариота выполняется при постоянной температуре.
P1V1=P2V2,
т.е. описывается изотермой на PV диаграмме.
Закон Гей-Люссака:
Изменение объема с температурой при постоянном давлении.
V=V0(1+T);
Т.е описывается изобарой.
3. закон Шарля.
Изменение давления с температурой при постоянном объеме.
P=p0(1+T);
Т.е. изохорный процесс. Здесь термический коэффициент давления и коэффициент объемного расширения одинаковы для всех газов и равны (1/273).
Параметры газа связанны между собой уравнением состояния. Уравнение состояния газа ввел Клайперон. Оно связывает давление, объем, температуру заданной массы газа, т.е объединяет все три газовых закона. Он записал объединенный закон Бойля-Мариота и Гей-Люссака в виде
pV=R(267+t).
Клайперон впервые употребил графическое изображение обратимых круговых процессов и вычислил работу как соответствующую площадь на графике.
Уравнение Клайперона-Манделеева получено при обобщении Менделеевым уравнения Клайперона с учетом закона Авогадро – Ампера – Жерара
pV=(m/µ)RT,
где m- масса газа, µ - его молекулярный вес, R – универсальная газовая постоянная, равна 8,31 (Дж/Моль*К). согласно закону Авогадро моли всех газов при одинаковой температуре и давлении занимает одинаковый объем. При нормальных условиях но равен 22,4 л=22,4·10-3 м3.
Так как молекул иного и они часто ударяются о стенку, их действие на поверхность можно заменить одной непрерывно действующей силой. Эта сила сглаживает отдельные точки. Средне кинетическая энергия поступательного движения молекулы газа в состоянии теплового равновесия она одинакова для всех молекул газа, находящихся в тепловом контакте, и для различных молекул газовой смеси.
Температура газа должна определятся средней кинетической энергией его молекул.
Для определения температуры нужно найти величину, которая бы обладала свойствами температуры – быть одинаковой у всех тел, находящихся в состоянии теплового равновесия. Физик Больцман установил, что этим свойствам обладает средне кинетическая энергия поступательного движения молекул:
Еср.=(3/2)kT,
где k=1,38*10-23(Дж/К). значит температура мера средней кинетической энергии поступательного движения идеального газа.
Если средне кинетическая энергия поступательного движения молекулы равна 7,87*10Е-21 Дж, то температура идеального газа =0,26·10-22
Когда возникает металлическая связь? Дайте представление о теории металлов (классической и квантовой), полупроводниках, диэлектриках, изоляторах
Твердые тела, как и жидкость, относят к конденсированным средам. Внутренняя энергия твердого тела состоит из кинетической энергии колебаний и потенциальной энергии связи.
Металлическая связь возникает при сближении атомов на расстоянии, меньшее размеров облака внешних электронов. Согласно принципу Паули, при такой конфигурации растет энергия внешних электронов, и ядра соседей начинают притягивать эти внешние электроны, размывая электронные облака. И внешние электроны, наконец-то, равномерно распределяются по металлу, образуя электронный газ.
Классическая теория металлов разработана в 1900 году ученым П.Друде на основе представлений о носителях тока в металлах. По классической теории металлов, электроны ведут себя как атомы идеального газа. Но в отличии лот молекул идеального газа электроны проводимости сталкиваются не между собой, а с ионами, образующими кристаллическую решетку. Столкновения устанавливают равновесия между этими двумя подсистемами. Согласно кинетической теории, средняя скорость теплового движения электронов равна 105 м/с. Сопротивление металлов объяснялось соударением электронов с ионами, и плотность тока прямо пропорциональна напряженности поля (закон Ома) с коэффициентом проводимости. К концу свободного пробега электрон приобретает дополнительную кинетическую энергию, которую теряет при столкновении с ионом. Эта энергия переходит во внутреннюю и способствует повышению температуры. Количество этой энергии пропорциональна квадрату напряженности поля.
Но классическая теория вызывала противоречия, которые были сняты в квантовой теории металлов. Первым успехом явилось объяснение Эйнштейном в 1906 году малой теплоемкости твердых тел при низких температурах. Теплоемкость твердых тел при малой температуре меняется пропорционально кубу температур. Грюнайзен вывел новое уравнение состояния твердых тел и получил из него зависимость между линейным коэффициентом расширения твердого тела и его сжимаемостью. Внешние электроны обладают коллективными свойствами, и их кинетическая энергия равна (5-10)Эв, вместо 3*10-2Эв. Энергетической состояние любого электрона определяется четырьмя квантовыми числами. Невозбужденное состояние соответствует минимуму свободной энергии. Каждый энергетический уровень при сближении атомов расщепляется, образуя металлическую зону плотно расположенных уровней. Эти зоны разрешенных уровней , разделены промежутками – зонами запрещенных уровней.
Деление веществ по проводимости тока:
Проводники
Полупроводники – они характеризуются тем, что электроны полностью занимают валентную зону. Поэтому для увеличения энергии электрона ему нужно сообщить энергию достаточную для преодоления запрещенной зоны. Поэтому электрические свойства кристалла определяется шириной запрещенной зоны. Полупроводники стали активно выходить в технику в 20 г. 20 века. Появились выпрямители и фотоэлементы. Собственная проводимость возникает в результате переходов электронов с верхних уровней в зону проводимости. Освобождаемое место называется дыркой. В отсутствии поля они движутся хаотически. При включении поля происходит процесс заряда в кристалле, который накладывается на хаотическое движение. Каждой температуре соответствует определенная концентрация электронов и дырок. Примесная проводимость полупроводников возникает, если некоторые атомы в узлах кристаллической решетки заменить на другие, валентность которых отличает на единицу.
Диэлектрики – диэлектрики или изоляторы имеют большую ширину запрещенной зоны, и тепловой энергии уже не достаточно для перевода электронов через нее. Сегнетоэлектрики – группа кристаллических диэлектриков, которая способна к самопроизвольной поляризации в отсутствии внешнего электрического поля. Для каждого сегнетоэлектрика существует область, когда эти свойства проявляются. Поляризация в них возникает при механической нагрузке в степени, пропорциональной степени упругой деформации. Кристаллическая решетка может быть представлена в виде нескольких простых решеток, вставленных друг в друга. Если у кристалла нет центра симметрии, при деформации происходит относительное перемещение простых решеток и возникает поляризация.
Сейчас в природе существуют конденсированные среды, для которых характерно неупорядоченное расположение атомов. Это стекло, сталь, сплавы. Свобода расположения атомов в пространстве изменяет электрические, магнитные, сверхпроводящие свойства этих тел.
Фундаментальные типы взаимодействий в физике. Почему они так называются? Какие законы сохранения фундаментальны для всего естествознания и почему?
Мир не представляется набором тел, он подвижен, активен и все, что заполняет мир, подвержено движению и изменению. Классическая механика признала, что существует движение и без приложенной силы, и только отклонение от прямолинейности равномерности требует силы. Ньютон установил, что сила вызывает ускорение, и получил простую формулу, отражающую эту связь. Механика Ньютона была признана, изменилось описание движений, но происхождение сил в ней не обсуждались.
Существует 4 типа взаимодействия в природе.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
