Школьные экзамены физика (стр. 12 )

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

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

2.  Лабораторная работа.

Способ измерения ЭДС и внутреннего сопротивления основан на использовании закона Ома для полной цепи: I = ε /(R + r), где ε – ЭДС источника тока, r – внутреннее сопротивление источника. ε = IR + Ir; ε = U + Ir; r = (ε – U) / I.

Оборудование: амперметр, вольтметр, источник тока, соединительные провода, ключ.

Указания к выполнению задания

1.  При разомкнутой цепи вольтметр, подключённый к полюсам источника, показывает U, следовательно, ЭДС источника приблизительно равна ε (рис. 35).

2.  При замыкании ключа К сила тока в цепи равна I, а напряжение на полюсах источника равно U (рис. 35). Следовательно, r = (2,8 В – 2,4 В) / 1,4 А = 0,3 Ом.

БИЛЕТ № 24

1.  Фотоэффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта и постоянная Планка. Применение фотоэффекта в технике.

2.  Задача на применение закона сохранения импульса.

1.  План ответа.

1.  Гипотеза Планка.

2.  Определение фотоэффекта.

3.  Законы фотоэффекта.

4.  Уравнение Эйнштейна.

5.  Применение фотоэффекта.

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями – квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой Е = hν, где h – постоянная Планка, равная 6,63 ∙ 10-34Дж∙с, ν – частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого в 1887 г. немецким учёным Генрихом Герцем и изученного экспериментально русским учёным .

Фотоэффект – это явление испускания электронов веществом под действием света.

В результате исследований были установлены три закона фотоэффекта.

1.  Сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела.

2.  Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и зависит от его интенсивности.

3.  Если частота света меньше некоторой определённой для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффекта не происходит.

Зависимость фототока от напряжения показана на рисунке 36.

Теорию фотоэффекта создал немецкий учёный А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию hν. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определённую величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода – это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид: mv2 / 2 = hν – Aвых. Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

Если hν < Aвых, то фотоэффекта не происходит. Значит, красная граница фотоэффекта равна νmin = Aвых / h.

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещённости, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, проходят испытания первые солнечные автомобили, используются в солнечных батареях на искусственных спутниках Земли, межпланетных и орбитальных автоматических станциях.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

2.  Задача.

Тепловоз массой 130 т приближается со скоростью 2 м/с к неподвижному составу массой 1170 т. С какой скоростью будет двигаться состав после сцепления с тепловозом?

Дано: СИ: Решение:

m1 = 130 т m1 = 1,3 ∙ 105 кг m1v1 + m2v2 = m3v3;

m2 = 1170 т m2 = 11,7 ∙ 105 кг m1v1 = (m1 + m2)v3;

m3 = m1 + m2 v3 = m1v1 / (m1 + m2);

v1 = 2 м/с v3 = 1,3 ∙ 105 кг ∙ 2 м/с /(1,3 ∙ 105 кг + 11,7 ∙ 105 кг) =

v2 = 0 = 0,2 м/с.

v3 = ?

Ответ: v3 = 0,2 м/с.

БИЛЕТ № 25

1.  Состав ядра атома. Изотопы. Энергия связи ядра атома. Цепная ядерная реакция, условия её осуществления. Термоядерные реакции.

2.  Лабораторная работа «Расчёт общего сопротивления двух последовательно соединённых проволочных резисторов» (сопротивление каждого обозначено на колодке).

1.  План ответа.

1.  Открытие нейтрона.

2.  Состав ядра атома.

3.  Изотопы.

4.  Дефект массы.

5.  Энергия связи атомного ядра.

6.  Ядерные реакции.

7.  Цепная ядерная реакция.

8.  Термоядерные реакции.

В 1932 г. английский физик Джеймс Чедвик открыл частицы с нулевым электрическим зарядом и единичной массой. Эти частицы назвали нейтронами. Обозначается нейтрон n. После открытия нейтрона физики и Вернер Гейзенберг в 1932 г. выдвинули протонно-нейтронную модель атомного ядра. Согласно этой модели ядро атома любого вещества состоит из протонов и нейтронов. (Общее название протонов и нейтронов – нуклоны.) Число протонов равно заряду ядра и совпадает с номером элемента в таблице Менделеева. Сумма числа протонов и нейтронов равна массовому числу. Например, ядро атома кислорода 168О состоит из 8 протонов и 16 – 8 = 8 нейтронов. Ядро атома 23592U состоит из 92 протонов и 235 – 92 = 143 нейтронов.

Химические вещества, занимающие одно и то же место в таблице Менделеева, но имеющие разную атомную массу, называются изотопами. Ядра изотопов отличаются числом нейтронов. Например, водород имеет три изотопа: протий – ядро состоит из одного протона, дейтерий – ядро состоит из одного протона и одного нейтрона, тритий - ядро состоит из одного протона и двух нейтронов.

Если сравнить массы ядер с массами нуклонов, то окажется, что масса ядра тяжёлых элементов больше суммы масс протонов и нейтронов в ядре, а для лёгких элементов масса ядра меньше суммы масс протонов и нейтронов в ядре. Следовательно, существует разность масс между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов, называемая дефектом массы. М = Мя – (Мр + Мn).

Так как между массой и энергией существует связь Е = mc2, то при делении тяжёлых ядер и при синтезе лёгких ядер должна выделяться энергия, существующая из-за дефекта масс, и эта энергия называется энергией связи атомного ядра. Есв = Мс2.

Выделение этой энергии может происходить при ядерных реакциях.

Ядерная реакция – это процесс изменения заряда ядра и его массы, происходящий при взаимодействии ядра с другими ядрами или элементарными частицами. При протекании ядерных реакций выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции.

Цепная реакция деления – это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k > 1, где k – коэффициент размножения нейтронов, т. е. отношение числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Способностью к цепной ядерной реакции обладает изотоп урана 23592U. При наличии определённых критических параметров (критическая масса – 50 кг, шаровая форма радиусом 9 см) три нейтрона, выделившиеся при делении первого ядра, попадают в три соседних ядра и т. д. Процесс идёт в виде цепной реакции, которая протекает за доли секунды в виде ядерного взрыва. Неуправляемая ядерная реакция применяется в атомных бомбах. Впервые решил задачу об управлении цепной реакцией деления ядер физик Энрико Ферми. Им был изобретён ядерный реактор в 1942 г. У нас в стране реактор был запущен в 1946 г. под руководством .

Термоядерные реакции – это реакции синтеза легких ядер, происходящие при высокой температуре (примерно 107 К и выше). Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звёзд. На Земле термоядерная реакция осуществлена только при экспериментальных взрывах, хотя ведутся международные исследования по управлению этой реакцией.

2.  Лабораторная работа.

Измерьте общее сопротивление этих резисторов, используя источник тока, вольтметр, амперметр. Объясните причину совпадения или несовпадения расчёта и эксперимента.

Оборудование: источник тока, вольтметр, амперметр, два резистора, проводники.

Указания к выполнению задания

1.  Снимите показания амперметра и вольтметра.

2.  Заполните таблицу прямых измерений.

I, A	∆I, A	U, B	∆U, B

3.  Определите общее сопротивление R двух резисторов, пользуясь законом Ома: Rобщ = Uобщ / Iобщ.

4.  Рассчитайте общее сопротивление двух резисторов: R = R1 + R2.

Расхождение между результатами расчётов и измерениями объясняется двумя причинами. Первая – на резисторах указаны номинальные значения сопротивлений. Их действительные значения отличаются от номинальных. Вторая – электроизмерительные приборы также имеют погрешности.

БИЛЕТ № 26

1.  Радиоактивность. Виды радиоактивных излучений и методы их регистрации. Биологическое действие ионизирующих излучений.

2.  Лабораторная работа «Оценка при помощи необходимых измерений и расчётов массы воздуха в классной комнате».

1.  План ответа.

1.  Определение.

2.  Виды радиоактивного распада.

3.  Методы регистрации.

4.  Биологическое действие.

Радиоактивность – это испускание ядрами некоторых элементов различных частиц, сопровождающееся переходом ядра в другое состояние и изменением его параметров. Явление радиоактивности было открыто опытным путём французским учёным Анри Беккерелем в 1896 г. для солей урана. Беккерель заметил, что соли урана засвечивают завёрнутую во много слоёв фотобумагу невидимым проникающим излучением.

Английский физик Э. Резерфорд исследовал радиоактивное излучение в электрических и магнитных полях и открыл три составляющие этого излучения, которые были названы α-, β-, γ-излучением.

α–Распад представляет собой излучение α-частиц (ядер гелия) высоких энергий. При этом масса ядра уменьшается на 4 единицы, а заряд – на 2 единицы (рис. 37).

β–Распад – излучение электронов, заряд которых возрастает на единицу, массовое число не изменяется.

γ-Излучение представляет собой испускание возбуждённым ядром квантов света высокой частоты. Параметры ядра при γ-излучении не меняются, ядро лишь переходит в состояние с меньшей энергией. Распавшееся ядро тоже радиоактивно, т. е. происходит цепочка последовательных радиоактивных превращений. Процесс распада всех радиоактивных элементов идёт до свинца. Свинец – конечный продукт распада.

Приборы, применяемые для регистрации ядерных излучений, называются детекторами ядерных излучений. Наиболее широкое применение получили детекторы, обнаруживающие ядерные излучения по производимой ими ионизации и возбуждению атомов вещества: газоразрядный счётчик Гейгера, камера Вильсона, пузырьковая камера. Существует также метод фотоэмульсий, основанный на способности пролетающей частицы создавать в фотоэмульсии скрытое изображение. След пролетевшей частицы виден на фотографии после проявления.

Радиоактивные излучения оказывают сильное биологическое действие на ткани живого организма, заключающееся в ионизации атомов и молекул среды. Возбуждённые атомы и ионы обладают сильной химической активностью, поэтому в клетках организма появляются новые химические соединения, чуждые здоровому организму. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и элементы клеточных структур. В человеческом организме нарушается процесс кроветворения, приводящий к дисбалансу белых и красных кровяных телец. Человек заболевает белокровием, или так называемой лучевой болезнью. Большие дозы облучения приводят к смерти. 2. Лабораторная работа.

Для определения массы воздуха в классной комнате следует воспользоваться уравнением Менделеева – Клапейрона: pV = m / M ∙ RT.

Из уравнения видно, что для этого необходимо узнать давление р, объём V и температуру Т, а затем найти массу воздуха.

Оборудование: барометр, термометр, мерная лента.