Первый закон Ньютона. Существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действия других тел компенсируются). Этот закон часто называется законом инерции, поскольку движение с постоянной скоростью при компенсации внешних воздействий на тело называется инерцией.
    
     Второй закон Ньютона. Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение — ускорение прямо пропорционально действующей (или равнодействующей) силе и обратно пропорционально массе тела.
    
     Третий закон Ньютона. Из опытов по взаимодействию тел следует , из второго закона Ньютона ПОЭТОМУ . Силы взаимодействия между телами направлены по одной прямой, равны по величине, противоположны по направлению, приложены к разным телам (поэтому не могут у равновешиватъ друг друга), всегда действуют парами и имеют одну и ту же природу.
    
     Законы Ньютона позволяют объяснить закономерности движения планет, их естественных и искусственных спутников. Иначе, позволяют предсказывать траектории движения планет, рассчитывать траектории космических кораблей и их координаты в любые заданные моменты времени. В земных условиях они позволяют объяснить течение воды, движение многочисленных и разнообразных транспортных средств (движение автомобилей, кораблей, самолетов, ракет). Для всех этих движений, тел и сил справедливы законы Ньютона.

Задача на расчет количества теплоты, необходимого для нагревания жидкости.

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Примеры проявления закона сохранения импульса в природе и его использование в технике.

    Импульс тела — это произведение массы тела на его скорость . Импульс тела — величина векторная.
    
     Предположим, что взаимодействуют друг с другом два тела (тележки) (рис» 6) с массами ml и m2,
    
     движущиеся относительно выбранной системы отсчета со скоростями . На тела при их взаимодействии действовали соответственно силы
    
    
    
    
    
     импульсов обоих тел (тележек) до взаимодействия, в правой — сумма импульсов тех же тел после взаимодействия. Импульс каждой тележки изменился, сумма же осталась неизменной. Это справедливо для замкнутых систем, к которым относят группы тел, не взаимодействующих с телами, не входящими в эту группу. Отсюда вывод, т. е. закон сохранения импульса: геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему у остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой.
    
     Примером проявления закона сохранения импульса является реактивное движение. Оно наблюдается в природе (движение осьминога) и очень широко применяется в технике (водометный катер, огнестрельное оружие, движение ракет и маневрирование космических кораблей).
    

Задача на расчет количества теплоты, которое требуется для перевода жидкости в пар при температуре кипения.

Механическая работа. Энергия. Закон сохранения механической энергии.

    Физическая величина, равная произведению модуля силы на модуль перемещения и косинус угла между ними (рис. 8), называется механической работой: А = Fs cos а. Работа — величина скалярная. Единица работы — джоуль (Дж). 1 Дж — это работа, совершаемая силой в 1 Н при перемещении на 1 м.
    
     В зависимости от направлений векторов силы и перемещения механическая работа может быть положительной, отрицательной или равной нулю. Например, если векторы F и s сонаправлены, то cos 0° = 1 и А > 0 . Если векторы F и s направлены в противоположные стороны, то cos 180° = -1 и А < 0. Если же F и s перпендикулярны, то cos 90° = 0 и А = 0.
    
    
    
     Энергией называется физическая величина, измеряемая работой, которую может совершить тело или система тел. Энергия, как и работа, измеряется в джоулях.
    
     К механической энергии относятся: потенциальная энергия тяготения , потенциальная энергия деформированных тел
    
     кинетическая энергия движущихся тел
    
     Переход механической энергии из одного вида в другой подчиняется закону сохранения механической энергии: в изолированной системе тел, между которыми действуют лишь силы тяготения и упругости, механическая энергия остается неизменной.
    
     Справедливость этого закона подтверждает следующий пример. С высоты Н на упругую плиту падает шар (рис. 9). Система тел «шар — земля» изолированная (сопротивление воздуха не учитывается).
    
     Поэтому механическая энергия тела в процессе его движения не меняется. По мере падения тела его потенциальная энергия будет уменьшаться, но зато будет возрастать кинетическая энергия.
    
     Если в положении I механическую энергию составляет потенциальная энергия тяготения, то в положении II тело обладает потенциальной и кинетической энергией. Когда шар подлетает к плите (см. положение III), он обладает только кинетической энергией. В момент соударения шара с плитой он теряет потенциальную энергию тяготения и кинетическую энергию движения и на первый взгляд механическая энергия исчезает. Однако это не так — поскольку шар и плита деформируются при ударе. Возникает потенциальная энергия взаимодействующих тел (шар и плита), которая и составляет механическую энергию системы в этот момент.
    
    

Закон Ома для участка цепи. Сопротивление металлического проводника и его зависимость от размеров и вещества проводника. Удельное сопротивление вещества.

    Напряжение, сила тока и сопротивление — физические величины, характеризующие явления, происходящие в электрических цепях. Эти величины связаны между собой. Эту связь впервые изучил немецкий физик Ом.
    
     Закон Ома звучит так: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке (при заданном сопротивлении) и обратно пропорциональна сопротивлению участка (при заданном напряжении): . Из формулы следует, что . Так как сопротивление данного проводника не зависит ни от напряжения, ни от силы тока, то последнюю формулу надо читать так: сопротивление данного проводника равно отношению напряжения на его концах к силе протекающего по нему тока.
    
     Причиной сопротивления металлического проводника является взаимодействие электронов при их движении с ионами кристаллической решетки. Отсюда предположение: сопротивление проводника зависит от его длины и площади поперечного сечения, а также от металла, из которого изготовлен проводник.
    
     На все эти вопросы ответил Ом. Он установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника. Вещество проводника характеризует удельное сопротивление — это сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 м, площадью поперечного сечения 1 мм2.
    
     Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества выражают формулой:
    
    

Задача на расчет силы давления атмосферы на плоскость.

    Определите, с какой силой атмосферный воздух давит на поверхность стола размерами 120 х х 50 см2. Нормальное атмосферное давление 760 мм рт. ст.
    
    
    
    

Магнитное поле. Действие магнитного поля на электрические заряды.

    Магнитное поле проявляется около постоянных магнитов и проводников, по которым идет электрический ток. Широко распространенным индикатором магнитного поля является магнитная стрелка (компас). С помощью этого индикатора можно обнаружить, что магниты разноименными полюсами притягиваются, а одноименными — отталкиваются. Это взаимодействие описывается по схеме: магнит — поле — магнит. Иначе говоря, вокруг магнита существует магнитное поле, которое действует на другие магниты, в частности на магнитные стрелки или намагничивающиеся частицы железа (железные опилки).
    
     Идентифицировать магнитное поле тока в плоскости, перпендикулярной проводнику, помогают железные опилки и магнитные стрелки. Пространственная ориентация опилок и стрелок изменяется на противоположную (на 180°) при изменении направления тока в проводнике. Это значит, что величина, характеризующая магнитное поле (она называется магнитной индукцией), будет векторной. Линии магнитной индукции для прямого проводника (рис. 36) с током являются концентрическими окружностями с центром на оси проводника. Они замкнуты, т. е. не имеют начала и конца. Магнитное поле с замкнутыми линиями магнитной индукции называется вихревым.
    
     Вектор магнитной индукции В (см. рис. 36) направлен по касательной к замкнутой линии. Его направление определяют по правилу буравчика: если ввинчивать буравчик по направлению тока в проводнике, то направление скорости вращения конца его рукоятки в данной точке совпадает с направлением вектора магнитной индукции В в этой точке; по правилу правой руки: если охватить проводник правой рукой, направив отогнутый большой палец по направлению тока, то кончики остальных пальцев покажут направление вектора индукции в этой точке.
    
     Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что магнитное поле постоянного магнита действует на проводник с током, т. е. оно действует на
    
    
    
     упорядоченно движущиеся электрические заряды. На неподвижные заряды магнитное поле не действует. Эти положения подтверждаются опытами: при замыкании электрической цепи (рис. 37) проводник втягивается в область между полюсами магнита, а при смене направления магнитного поля или тока выталкивается из этой области (рис. 38). При отсутствии тока нет взаимодействия проводника и магнита.
    
     Явление взаимодействия проводника с током с магнитным полем магнита широко используется при конструировании измерительных приборов и электродвигателей.
    
     Магнитное поле постоянного магнита действует на движущиеся электрические заряды, не связанные с проводником. В катодных трубках, в телевизионных кинескопах пучок свободных электронов движется прямолинейно.
    
    
    
    
    Задача на применение закона сохранения энергии при свободном падении.

Электромагнитное поле. Электромагнитные волны и их свойства.

    Известно, что электрический ток порождает магнитное поле (опыт Эрстеда), изменяющееся магнитное поле порождает электрический ток (опыт Фарадея). Имея в виду эти экспериментальные факты, английский физик Дж. Максвелл создал теорию электромагнитных волн. По Максвеллу: переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое (явление электромагнитной индукции), а переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное (магнитоэлектрическая индукция). В результате в соседних областях пространства возникает единое электромагнитное поле.
    
     Электромагнитное поле в каждой точке пространства характеризуется напряженностью Е и индукцией В. Возникновение электромагнитной волны можно представить так: в некоторой области пространства возникают колебания электрического заряда, например между контактами электрической цепи проскакивает искра. Это повлечет за собой колебания вектора напряженности Е, т. е. его модуль и направление станут периодически меняться. Согласно теории Максвелла, в этой же области будут происходить колебания вектора магнитной индукции Б. Эти колебания порождают электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве. Моментальный «снимок» электромагнитной волны показан на рисунке 41.
    
     Теория Максвелла показала, что электромагнитные волны — волны поперечные, их скорость распространения в вакууме примерно равна 300 000 км/с, эта волна несет энергию.
    
     С помощью искрового разрядника и аналогичного ему приемника немецкий физик Г. Герц получил и зарегистрировал электромагнитные волны, обнаружил их отражение и преломление. Заслуга по практическому использованию электромагнитных волн в радиосвязи принадлежит русскому физику А. С. Попову.
    
    

Задача на определение основных параметров гармонического колебательного движения по его графику.

    По графику, приведенному на рисунке 43, определите амплитуду, период, частоту.
    
    
    
    
    
     Какие из величин, характеризующих гармонические колебания (амплитуда, период, частота, смещение, скорость, ускорение), являются постоянными и какие — переменными?
    
     Ответ: А = 10 см; Т = 0,2 с; v = 5 Гц.
    
     Переменными являются смещение, скорость, ускорение.
    

Свет как электромагнитная волна. Закон прямолинейного распространения света. Явления отражения и преломления света.

    Из теории электромагнитного поля, разработанной Дж. Максвеллом, следовало: электромагнитные волны распространяются со скоростью света — 300 000 км/с, что эти волны поперечны, так же как и световые волны. Максвелл предположил, что свет — это электромагнитная волна. В дальнейшем это предсказание нашло экспериментальное подтверждение.
    
     Как и электромагнитные волны, распространение света подчиняется тем же законам:
    
     Закон прямолинейного распространения света. В прозрачной однородной среде свет распространяется по прямым линиям. Этот закон позволяет объяснить, как возникают солнечные и лунные затмения.
    
     При падении света на границу раздела двух сред часть света отражается в первую среду, а часть проходит во вторую среду, если она прозрачна, изменяя при этом направление своего распространения, т. е. преломляется.
    
     Закон отражения. Угол падения равен углу отражения (). Падающий луч АО, отраженный луч ОБ и перпендикуляр ОС, восставленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Закон преломления. Луч падающий АО и преломленный ОБ лежат в одной плоскости с перпендикуляром CD, проведенным в точке падения луча к плоскости раздела двух сред. Отношение синусов угла падения а и угла преломления у постоянно для данных двух сред и называется показателем преломления второй среды по отношению к первой: .
    
    
    
     Законы отражения света учитываются при построении изображения предмета в зеркалах (плоском, вогнутом и выпуклом) и проявляются в зеркальном отражении в перископах, в прожекторах, автомобильных фарах и во многих других технических устройствах.
    
     Законы преломления света учитываются при построении изображения во всевозможных линзах, призмах и их совокупности (микроскоп, телескоп), а также в оптических приборах (бинокли, спектральные аппараты, фотоаппараты и проекционные аппараты).
    

Задача на чтение графика зависимости силы упругости от величины деформации.

Явления, подтверждающие сложное строение атома. Опыты Резерфорда. Планетарная модель атома.

    Наименьшей частью химического элемента, определяющей его основные свойства, является атом. В конце XIX в. французский физик А. Бек-керель открыл явление радиоактивного излучения. Английский физик Э. Резерфорд исследовал природу этого излучения. Оказалось, что пучок радиоактивного излучения в сильном магнитном поле разделился на три части: а-, b- и у-излуче-ния. b-Лучи представляют собой поток электронов, а-лучи — ядро атома гелия, у-лучи — коротковолновое электромагнитное излучение. Явление естественной радиоактивности указывает на сложное строение атома.
    
     В экспериментах Резерфорда по изучению внутренней структуры атома золотая фольга облучалась а-частицами, проходящими через щели в свинцовых экранах со скоростью 107 м/с. а-Частицы, испускаемые радиоактивным источником, представляют собой ядра атома гелия. После взаимодействия с атомами фольги а-частицы попадали на экраны, покрытые слоем сернистого цинка. Ударяясь об экраны, а-частицы вызывали слабые вспышки света (рис. 48, а). По количеству вспышек определялось число частиц, рассеянных фольгой на определенные углы. Подсчет показал, что большинство ос-частиц проходит фольгу беспрепятственно. Однако некоторые а-частицы (одна из 20 000) резко отклонялись от первоначального направления (рис. 48, б). Столкновение ос-частицы с электроном не может так существенно изменить ее траекторию, так как масса электрона в 7350 раз меньше массы а-частицы.
    
     Резерфорд предположил, что отражение а-час-тиц обусловлено их отталкиванием положительно заряженными частицами, обладающими массами, соизмеримыми с массой а-частицы. На основании результатов подобного рода опытов Резерфорд предложил модель атома: в центре атома расположено положительно заряженное атомное ядро, вокруг которого (подобно планетам, обращающимся вокруг Солнца) вращаются под действием электрических сил притяжения отрицательно заряженные электроны. Атом электронейтрален: заряд ядра равен суммарному заряду электронов. Линейный размер ядра по крайней мере в 10 000 раз меньше размера атома. Такова планетарная модель атома по Резерфорду.
    
    

Задача на расчет давления твердого тела.

Протонно-нейтронная модель атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи и прочность ядер. Выделение и поглощение энергии в ядерных реакциях.

    В первой трети XX в. в лаборатории Резерфорда были открыты нуклоны: протон и нейтрон , их массы соответственно равны: mр = 1,0073 а. е. м., mn = 1,0087 а. е. м. После чего Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг предложили протонно-нейтронную модель ядра атома. Согласно теории построения этой модели любое атомное ядро состоит из протонов и нейтронов, связанных между собой ядерными силами. Число протонов в ядре равно зарядовому числу Z (порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева). Суммарное число протонов и нейтронов называют массовым числом А — Z + N, где N — число нейтронов. Для обозначения конкретного ядра используют символ атома с указанием сверху значения массового числа А, а снизу — зарядового числа Z: гелий , уран .
    
     Ядра элементов весьма устойчивы. Это значит, что кроме кулоновских сил отталкивания между протонами в ядре действуют и значительные силы притяжения, которые называют ядерными. Ядерные силы являются короткодействующими, их радиус действия не превышает размеры ядра , они обладают зарядовой независимостью (два протона или протон и нейтрон взаимодействуют между собой одинаково).
    
     Установлено, что масса ядра элемента всегда меньше суммы масс протонов и нейтронов, входящих в ядро, т. е. . Эта разница масс
    
     называется дефектом масс: .Например, дефект масс ядра гелия составляет Дм = 4,0330 - 4,0026 = 0,0304 а. е. м. А это значит, что внутренняя энергия атома гелия меньше энергии составляющих его частиц на:
    
    
    
     Энергия, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц, называется энергией связи ядра. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон (протон или нейтрон), называется удельной энергией связи. Удельная энергия связи убывает для ядер» расположенных в конце периодической системы. Поэтому природе выгодно, чтобы массивное ядро разделилось на осколки с большой энергией связи (это явление естественной радиоактивности), В частности, энергетически выгодно, если одним из осколков окажется а- частица, у которой энергия связи весьма велика. Однако делению ядра препятствуют мощные ядерные силы. Вот почему самопроизвольный распад ядра на а-частицу и ядро другого элемента происходит сравнительно редко. Реакцию сх-распа-да записывают так: При этом выполняется закон сохранения электрического заряда (равенство суммы нижних индексов) и закон сохранения массового числа, т. е. числа нуклонов (равенство суммы верхних индексов). В результате реакции деления высвобождается огромная энергия, например ядро урана в результате ядерной реакции с нейтроном распадает ся на осколки: и несколько нейтронов. Для урана удельная энергия связи составляет 7,6 МэВ, а у осколков деления — 8,5 МэВ. Разность энергии между материнским ядром к осколками деления 0,9 МэВ/нуклон. Так как в каждом процессе деления участвуют 236 нуклонов, то при делении одного ядра урана выделяется энергия: 0,9 МэВ - 236 = 200 МэВ. При делении ядер 1 кг урана выделится энергия 5,2 • 10в26ст. МэВ — = 8,3 • 10в13ст. Дж. Такую энергию можно получить при сжигании (химическая реакция) 2500 т нефти. Именно деление ядер урана является источником энергии в атомных электростанциях и в атомных бомбах.

Задача на расчет давления жидкости.

    Тепловой двигатель и его коэффициент полезного действия. Влияние тепловых двигателей на окружающую среду и способы уменьшения их вредного воздействия.

    Большая часть двигателей, используемых людьми, — это тепловые двигатели. Устройства, превращающие энергию топлива в механическую энергию, называются тепловыми двигателями. Любой тепловой двигатель (паровые и газовые турбины, двигатели внутреннего сгорания) состоит из трех основных элементов: рабочего тела (это газ), которое совершает работу в двигателе; нагревателя, от которого рабочее тело получает энергию, часть которой затем идет на совершение работы; холодильника, которым является атмосфера или специальные устройства (рис. 28).
    
    
    
     Ни один тепловой двигатель не может работать при одинаковой температуре его рабочего тела и окружающей среды. Обязательно температура нагревателя больше температуры холодильника. При совершении работы тепловыми двигателями происходит передача теплоты от более горячих тел к более холодным. Рабочее тело двигателя получает количество теплоты Qн от нагревателя, совершает работу А и передает холодильнику количество теплоты Qx. В соответствии с законом сохранения энергии . В случае равенства речь идет об идеальном двигателе, в котором нет потерь энергии.
    
     Отношение работы к энергии, которое получило рабочее тело от нагревателя, называют коэффициентом полезного действия (КПД):
    
    
    
     Паровая или газовая турбина, двигатель внутреннего сгорания, реактивный двигатель работают на базе ископаемого топлива. В процессе работы многочисленных тепловых машин возникают тепловые потери, которые в конечном счете приводят к повышению внутренней энергии атмосферы, т. е. к повышению ее температуры. Это может привести к таянию ледников и катастрофическому повышению уровня Мирового океана, а вместе с тем к глобальному изменению природных условий. При работе тепловых установок и двигателей в атмосферу выбрасываются вредные для человека, животных и растений оксиды азота, углерода и серы. С вредными последствиями работы тепловых машин можно бороться путем повышения КПД, их регулировки и создания новых двигателей, не выбрасывающих вредные вещества с отработанными газами.