Конспект уроків з фізики для учнів професійно-технічних навчальних закладів

Державний навчальний заклад

«Бердичівське вище професійне училище»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(для учнів І-ІІІ курсів професій: «Тракторист-машиніст с\г виробництва. Слюсар з ремонту сільськогосподарських машин. Водій автотранспортних засобів категорії С»; «Тракторист-машиніст с\г виробництва. Фермер. Водій автотранспортних засобів категорії С»; «Кухар.Пекар»; «Кухар.Офіціант»)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Містять конспекти до кожного уроку з фізики. Призначені для проведення уроку з фізики, а також для самопідготовки як для учнів, так і викладачів.

 

Рекомендовано учням І-ІІІ курсів ПТНЗ.

 

 Автор: Осипчук Олена Валеріївна, викладач математики, фізики, астрономії Державного навчального закладу «Бердичівське вище професійне училище»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 1

Тема: Зародження і розвиток фізики як науки. Роль фізичного знання в житті людини і суспільному розвитку. Методи наукового пізнання. 

Мета заняття:

 – актуалізувати знання учнів щодо значення фізики як науки;

•     розглянути основні етапи зародження та розвитку фізики;
•     узагальнити знання учнів методів наукового пізнання; основних одиниць системи СІ;
•     розглянути методи обчислення похибок;
•     розв’язати задачі на визначення похибок при прямих та непрямих вимірюваннях фізичних величин.

Структура заняття.

1.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Зародження та розвиток фізики як науки

Слово «фізика» походить від давньогрецького слова «при­рода». Так назвав першу відому нам наукову працю про при­родні явища давньогрецький учений Аристотель (IV ст. до н.е.).

Книга Аристотеля служила основним «підручником фізи­ки» протягом майже двох тисячоліть. Він не тільки дав означення механіки як науки, а й детально вивчав розбіжності тиску й удару, зробив важливий внесок у розв’язок задачі про важіль, увів поняття про два роди рухів – природні й вимушені, дав класифікацію руху тіл.

Величезний внесок у розвиток фізики зробив Архімед (бл. 287 – 212 рр. до н. е.) – видатний фізик, механік, математик, інженер. Зокрема, він запровадив поняття центра тяжіння, побудував теорію рівноваги важеля, дав означення моменту сил, експериментально визначив закони плавання тіл.

Леонардо да Вінчі (1452–1519) вважав найправильнішим дослідне вивчення природи, стверджуючи, що дослід був учителем тих, хто добре писав, і що мудрість – дочка досліду, бо тільки ґрунтуючись на ньому, можна дістати позитивні результати у дослідженні природи.

Миколай Коперник (1473–1543) у своїх працях не лише відкинув систему світу Птолемея, а й запропонував нову, геліоцентричну систему. З цього часу розпочалася наукова революція у природознавстві.

Галілео Галілей (1564–1642), досліджуючи падіння різноманітних тіл, відкинув хибне твердження Аристотеля про залежність швидкості падіння тіл від їхньої ваги, доповнив і розвинув далі вчення Аристотеля про рух і розробив основи динаміки.

 Висновок: Фізика досліджує механічні, теплові, електромагнітні, світлові явища, а також будову речовини. Завданням фізи­ки, як і інших наук, є пошук законів, за допомогою яких можна пояснювати та передбачати широке коло явищ.

Питання учням:

• Розкажіть, як розвивалася механіка. Хто з вчених зробив внесок у цю науку?
• Прізвища яких відомих вчених ви знаєте? Який внесок в розвиток науки вони зробили?
• Яку роль має фізичне знання в житті людини й розвитку суспільства?

Методи наукового пізнання

Явища світу, що нас оточує, надзвичайно складні, адже кожне з них залежить від дуже багатьох причин. Але, уваж­но спостерігаючи те чи інше явище, ми зауважуємо, що якісь причини більш істотні для його протікання, а якісь – менш істотні.

Зі спостережень виникають припущення, що для цілого кола явищ існують певні закономірності. Такі припущення називають науковими гіпотезами.

Щоб перевірити гіпотезу, учені проводять досліди (експе­рименти) з метою з’ясувати, як змінюється перебіг явищ у разі зміни умов їх перебігу.

Спостереження – це сприйняття природи з метою одержання первинних даних для подальшого аналізу.

Експеримент – це дослідження фізичного явища в умовах, що перебувають під контролем ученого, з метою глибшого вивчення цього явища.

У своїй основі фізика є експериментальною наукою: її закони базуються на фактах, установлених дослідним шляхом. Сучасна фізика широко використовує не  тільки експериментальні методи фізичних досліджень, а й теоретичні методи, які передбачають аналіз даних, отриманих у результаті експериментів, формулювання законів природи, пояснення конкретних явищ на основі цих законів, а головне – передбачення й теоретичне обґрунтування нових явищ з широким використанням математичних методів.

Теоретичні дослідження проводяться не з конкретним фізичним тілом, а з його ідеалізованим аналогом – фізичною моделлю. Наприклад, модель фізичного тіла – матеріальна точка.

Питання учням:

• Що спільного та чим відрізняються спостереження від експериментів?
• Запропонуйте спостереження якого явища чи який експеримент можна було б провести.

 

Коли гіпотеза про перебіг фізичних явищ підтверджуєть­ся експериментом, вона стає фізичним законом.

Наприклад, три закони Ньютона, закон всесвітнього тя­жіння (відкритий теж Ньютоном), а також закономірності для сил пружності та сил тертя становлять основний зміст механіки.

Сукупність законів, що описують широке коло явищ, на­зивається науковою теорією. Наприклад, закони Ньютона становлять зміст класичної механіки.

Як виміряти фізичну величину

Фізична величина – це характеристика, яка є спільною для багатьох матеріальних об’єктів або явищ у якісному відношенні, але може набувати індивідуального значення для кожного з них.

Наприклад: шлях, час, маса, густина, сила, температура, тиск.

Виміряти фізичну величину – це означає порівняти її з однорідною величиною, взятою за одиницю.

Вимірювання бувають прямі та непрямі.

У разі прямих вимірювань величину порівнюють із її одиницею (метр, секунда, кілограм, ампер тощо) за допомогою вимірювального приладу, проградуйованого у відповідних одиницях.

У разі непрямих вимірювань шукану величину обчислюють за результатами прямих вимірювань інших величин, пов’язаних з вимірюваною величиною певною функціональною залежністю (формулою).

Питання учням:

Наведіть приклади прямих та непрямих вимірювань. Назвіть відповідні для вимірювання  прилади.

Задача: (розв’яжи усно)

1. Знайти ціну поділки приладів, запропонованих викладачем.

 

 

2. Знайти ціну поділки мензурок, зображених на малюнку. Визначити кількість налитої в них рідини:
3. Намалювати термометр з довільною шкалою, визначити ціну поділки його шкали.

Побудова системи одиниць

Завдання вибудувати систему одиниць на науковій основі було поставлено перед французькими вченими наприкінці XVIII ст., після Великої французької революції. У результаті було створено міжнародну систему одиниць СІ, яка згодом стала у світі основною.  Еталони багатьох величин зберігаються в Палаті мір і ваг (Франція).

Після 1960 р. дедалі більше поширюються методи побудови системи одиниць, що ґрунтуються на випромінюванні, поширенні та відбиванні електромагнітних хвиль. Ці методи вирізняються високою точністю й базуються на тому, що швидкість світла у вакуумі є постійною.

Наприклад, одиниця часу – секунда (с). Секунда дорівнює 9 192 631 770 періодам  ектромагнітного випромінювання, яке відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану ізотопу Цезію–133.

Одиниця довжини – метр (м). Метр дорівнює довжині шляху, який проходить світло у вакуумі за проміжок часу 1 / 299 792 458 секунди.

Основні одиниці системи СІ:

Найменування величини	Одиниця
	Найменування	По­зна­чення
Довжина	метр	м
Маса	кілограм	кг
Час	секунда	с
Сила електричного струму	ампер	А
Температура	кельвін	К
Кількість  речовини	моль	моль
Сила світла	кандела	кд

Елементи теорії похибок.

При вимірюванні будь-якої фізичної величини неможливо визначити істинне значення цієї величини. Кожне вимірювання вимагає оцінки точності одержаного результату. Тому процес будь-якого вимірювання вважається завершеним, коли вказані абсолютна й відносна похибки результату вимірювання.

Абсолютна похибка. При прямих вимірюваннях знайти результат і похибку найбільш просто. У цьому випадку за результат вимірювань приймають показання приладів, а похибку вважають рівною сумі похибок приладу ∆х_прил і відліку ∆_відл:                                                        ∆ х= ∆х_прил + ∆х_відл.

Похибка приладу  ∆х_прил залежить від класу точності приладу і її визначають за допомогою спец. таблиць.  Похибка відліку в багатьох випадках не перевищує половини ціни ділення шкали приладу, тобто:                                         

∆ х= ∆_прил + С/2.

Відносна похибка характеризує якість вимірювання і показує, у скільки разів модуль абсолютної похибки менший від вимірювальної величини x_вим:

,  або   

При вимірюванні відомих величин можна скористатися формулою:

При визначенні похибки для вимірювання маси вважати, що похибка шкільних терезів становить 200мг, а технічних – 50мг. (Якщо експериментатор має повний набір важків, починаючі з 10мг.)

Інакше похибка для вимірювання маси становить половину значення маси найменшої гирі, що виводить терези з рівноваги.

Розрахунок похибок при непрямих вимірюваннях.

При проведенні непрямих вимірювань дотримуйтеся алгоритму:

• виконати прямі вимірювання;
• обчислити шукану величину;
• розрахувати абсолютні і відносні похибки прямих вимірювань;
• за видом формули визначити відносну похибку результату непрямих вимірювань ε;
• знайти абсолютну похибку ∆х за формулою:  ∆х=х_вим· ε
• результат вимірювань записати в вигляді:       х = х_вим ± │∆х│

 

2.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.

Виміряти довжину кабінету фізики (столу) вимірювальною стрічкою, знайти похибки вимірювання.

№ 2.

При вимірювані маси кулі на терези поклали гирі: 100г, 20г, 5г, 1г, 1г, 500мг. Знайти масу кулі. Оцінити похибки вимірювання.

Достатній рівень:

№ 3.

Виміряти площу столу за допомогою демонстраційної лінійки, знайти похибки вимірювання.

№ 4.

Для визначення опору провідника зробили вимірювання: напруга на його кінцях 5В, сила струму в колі 0,5А. Знайти опір провідника, оцінити похибки вимірювання.

3.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: с. 7 – 16

Задача.

Виміряти довжину олівця учнівською лінійкою, знайти похибки вимірювання.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 2

Тема: Механічний рух. Основна задача механіки. Матеріальна точка. Система відліку. Відносність руху. Траєк­торія руху. Шлях і переміщення.  Рівномірний прямолінійний рух. Закон додавання швидкостей.

Мета заняття:

• актуалізувати знання учнів основних кінематичних величин;

• класифікувати види руху; повторити рівняння прямолінійного рівномірного руху;
• розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Засвоєння нових знань.

 Конспект:

Механіка – розді­л фізики, що вивчає механічний рух та взаємодію тіл.

Основна задача механіки – визначити положення тіла в будь який момент часу.

Механіка містить такі розділи: кінематика, динаміка, закони збереження та статика.

Кінематика – розділ фізики, що вивчає рух тіл.

Матеріальна точка – це тіло, розмірами якого в умовах даної задачі можна знехтувати.

Механічним рухом називають зміну положення тіла з часом відносно інших тіл.

Поступальним називають рух тіла, під час якого всі його точки рухаються однаково.

Тіло можна вважати матеріальною точкою, якщо розміри тіла малі порівняно з відстанню, пройденою тілом, а також у разі, коли тіло рухається поступально.

Лінію в просторі, по якій руха­ється тіло, називають траєкторі­єю руху тіла.

Траєкторія є уявною лінією.

Шлях (l) – довжина траєкторії.

Переміщення () – вектор, що з’єднує початкове положення точки з положенням в даний момент часу.

Форма траєкторії залежить від вибору системи відліку.

Система відліку – тіло відліку, пов’язана з ним система координат і годинник.

Узагальнюючі питання та якісні задачі:

• Наведіть приклади задач, у яких учня можна розглядати як матеріальну точку і в яких не можна.
• Навіщо потрібна система відліку? З чого вона складається?
• Що приймають за тіло відліку, коли говорять: а) автомобіль їде зі швидкістю 80 км/год; б) Земля рухається по своїй орбіті зі швидкіс­тю 30 км/с?
• Чим відрізняється шлях від переміщення? Чи може шлях під час руху тіла зменшуватися?
• Як рухається тіло, якщо модуль переміщення дорівнює шляху, про­йденому тілом?
• Яка траєкторія руху тіла, якщо його переміщення дорівнює нулю, а шлях нулю не дорівнює?
• Шлях чи переміщення ми сплачуємо, коли їдемо в таксі? літаку? поїзді?
• М’яч упав з висоти 3 м, відскочив від підлоги і був пійманий на висоті 1 м. Знайти шлях і переміщення м’яча.

Додавання векторних величин

У фізиці використовують багато векторних величин. Та­кими величинами є, наприклад, переміщення, швидкість, сила. Додавання векторів виконується за «правилом трикутника», або «правилом паралелограма»:

 

 

 

Закон додавання швидкостей та переміщень

 Підручник: Фізика 10 кл. Є.В. Коршак: с. 29 мал. 122

Відповісти на питання:

• З яким тілом пов’язана нерухома система координат?
• З яким тілом пов’язана рухома система координат?
• Показати швидкість тіла відносно води.
• Показати швидкість води відносно берега.
• Як знайти швидкість човна відносно берега?
• Сформулювати та записати закон додавання швидкостей, зробити креслення.
• Записати правило додавання переміщень

 

Класифікація руху (види руху)

 

прямолінійний	криволінійний	обертальний	коливальний
рівномірний нерівномірний	рівноприскорений зі змінним прискоренням	рівномірний рух по колу прискорений рух по колу	гармонійні коливання негармонійні коливання

 

Прямолінійним рівномірним рухом називають такий рух тіла, під час якого воно за будь-які рівні відрізки часу робить рівні перемі­щення.

Швидкістю прямолінійного рівномірного руху називають фізич­ну величину, що дорівнює відношенню переміщення до відрізка часу t, за який відбулося це переміщення:

Швидкість – величина векторна.

Нерівномірним рухом називають такий рух, під час якого тіло про­ходить за рівні відрізки часу різні шляхи.

Середньою швидкістю нерівномірного руху за даний відрізок часу t називають фізичну величину, що дорівнює відношенню переміщення s до відрізка часу, за який це переміщення відбулося:

Рівняння механіки (прямолінійний рівномірний рух)

Величина	Формула
Рівняння руху
Швидкість	;            υx = const
Переміщення	sx = υxt

Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.

Автомобіль їде зі швидкістю 20 м/с. Яка його швидкість у кілометрах за годину?

№ 2.

Літак рухається зі швидкістю 850 км/год. Яка його швидкість у метрах за секунду?

Достатній рівень:

№ 3.

Автомобіль за 1 год проїхав 60 км, потім 30 хв стояв, а потім ще 30 хв рухався  зі швидкістю 90км/год. Автомобіль весь час рухався прямолінійним від­різком шосе в одному напрямі. Яка середня швидкість автомобіля?

№ 4.

Рух двох тіл заданий рівняннями: x₁=10+7,5t; x₂=60–5t. Визначити початкові координати та швидкості руху тіл. В якому напрямку рухаються ці тіла? Побудувати графіки руху цих тіл. Знайти час і місце зустрічі.

(Масштаб: 1см – 2с; 1см – 10м, Відповідь: t=4c, x=40м)

Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 1 – 9;  № 37 (с. 47)
• Задача.

Пасажир проїхав 2 години на автомобілі зі швидкістю 100 км/год, та 30 хв. потягом зі швидкістю 60 км/год. Чому дорів­нює його середня швидкість за весь час руху? Автомобіль та поїзд весь час рухалися по прямій в одному напрямі.

№ 37.

Рівняння руху автомобіля: x = – 270 + 12 t, м/с, пішохода: x= – 15 t , м/с. Побудуйте графіки руху. Визначте положення автомобіля та пішохода при  t = 0. Коли вони зустрінуться? Який шлях пройде пішохід до зустрічі? (Відповідь: t=20c, x=30м)

 

 

 

План заняття № 3

Тема: Прискорення. Рівноприскорений прямолінійний рух.

Мета заняття:

•      перевірити знання учнів основних кінематичних величин;

•                 вивчити рівняння прямолінійного рівноприскореного руху;
•                 розв’язати задачі різних типів та ступенів складності на застосування законів руху тіл.

Структура заняття.

Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з. Актуалізація опорних знань.

• Перевірка наявності д/з;
• Фронтальна бесіда:

• що вивчає механіка, кінематика?

• що називається рухом тіла? Чому рух – поняття відносне? Наведіть приклади відносності руху
• які ознаки поступального руху?навести приклади поступального руху;
• що розуміють під матеріальною точкою? Чи можна сказати, що це просто дуже маленьке тіло?
• в яких випадках застосовують поняття матеріальної точки?
• чим розрізняються між собою тіло відліку і система відліку?
• дати визначення поняттям: «система відліку», «траєкторія» «шлях», «переміщення», «середня швидкість»;
• який рух називається прямолінійним рівномірним.

 

• Задача.

За даними графіками руху трьох тіл охарактеризувати рух кожного тіла. Написати рівняння руху. Порівняти швидкості руху тіл І і ІІ, а також І і ІІІ. Поясніть зміст перетину графіків І і ІІ в точці А.

(Відповідь: x₁=40t; x₂=40 + 20t; x₃=20t)

 

Засвоєння нових знань.

Якщо швидкість тіла змінюється з часом, то такий рух є нерівномірним і для його характеристики користуються поняттям миттєвої швидкості.

Миттєвою називається швидкість в даний момент часу або в даній точці траєкторії.

Якщо швидкість тіла за будь-які однакові проміжки часу змінюється однаково, то такий рух називається прискореним.

Прискоренням тіла називається відношення зміни швидкості тіла до проміжку часу, за який ця зміна відбулася:              ;               .

Прямолінійним рівноприскореним рухом називається рух тіла по прямій з постійним прискоренням.

 

 

 Основні рівняння прямолінійного рівноприскореного руху

Величина	Формула
Рівняння руху
Швидкість	υx = υ0x+axt
Прискорення
Переміщення	;

Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1. ( Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: № 47) – усно

Які з наведених залежностей описують рівноприскорений рух?

а) x = 3 +2t    б) x =  4 +2t    в) υ= 6

г) x = 8 –2t + 4t²   д) x = 10 +5t²

№ 2. Велосипедист, що рухається зі швидкістю 3м/с, починає спускатися з гори з прискоренням 0,8м/с². Знайдіть довжину гори, якщо  спуск зайняв 6с. (Відп.: 32,4м)

№ 3. За який час автомобіль, що рухається із стану спокою з прискоренням 0,6м/с², пройде путь 30м? (Відповідь:10с)

Достатній рівень:

№ 4. ( Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: № 44)

Рухаючись зі швидкістю 72 км/год, автомобіль загальмував за 5 с. Визначте гальмівний шлях. (Відповідь: 50м)

№ 5.

За який час тіло, рухаючись з прискоренням 0,4м/с² збільшить свою швидкість від 12м/с до 20м/с. Знайти переміщення тіла за цей час. (Відповідь: 20с; 320м)

Високий рівень: (індивідуальне завдання)

Рівняння руху двох тіл, що рухаються вздовж осі x мають вигляд: x₁=5+3t–6t²; x₂=10–5t. Охарактеризувати рух кожного тіла, визначити х₀, υ₀, а. Скласти рівняння швидкості (та побудувати графіки швидкості для кожного тіла).

Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 10 – 11;  № 46, 48 (с. 61)

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 4

Тема: Вільне падіння тіл. Прискорення вільного падіння.

Мета заняття:

• перевірити та поглибити знання учнів по темі «Прямолінійний рівномірний та рівноприскорений рух»;

•                 дати поняття вільного падіння тіл,  прискорення вільного падіння;
•                 розв’язати задачі по темі.

Методи: фронтальна бесіда, частково пошуковий, індивідуальна робота.

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

Підручник  Є.В. Коршак, О.І.Ляшенко, В.Ф. Савченко Фізика 10 клас.

Література (основна та додаткова):

1. Підруч. для 10 кл. загальноосвіт. навч. закл.: (рівень стандарту)/В. Д. Сиротюк, В. І. Баштовий. – К.: Освіта, 2010

2. Є.В. Коршак, О.І.Ляшенко, В.Ф. Савченко Фізика 10 клас. Підруч. для загальноосвіт. навч. закл.: (рівень стандарту) – К.: Генеза, 2010

Структура заняття.

Засвоєння нових знань.

Наприкінці 16 століття італійський вчений Галілео Галілей дослідним шляхом довів, що всі тіла падають на землю з однаковим прискоренням за умови відсутності опору повітря. Такий рух тіл називається вільним падінням.

 Підручник: Фізика 10 кл. Є.В. Коршак: с. 43 мал. 134

Відповісти на питання:

• Падіння яких тіл досліджував Галілео Галілей?
• Чи залежить прискорення тіл під час їх падіння від маси?
• Чому на практиці камінь та пір’їна, кинуті одночасно, не досягають Землі одночасно?

Виміряне дослідним шляхом прискорення вільного падіння g ≈ 9,81м/с².

Оскільки вільне падіння є одним з випадків прямолінійного рівноприскореного руху, то для нього виконуються всі рівняння прямолінійного рівноприскореного руху:

 

Величина	Прямолінійний рівноприскорений рух	Вільне падіння
Рівняння руху
Швидкість	υx = υ0x+axt	υy = υ0y ± gt
Прискорення
Переміщення	;	;

 

Розв’язання задач.

 

Якісні задачі:

• Три тіла кинуті наступним чином: перше – вниз без початкової швидкості, друге – вниз з початковою швидкістю, третє – вгору. Що можна сказати про прискорення цих тіл (опором повітря знехтувати);
• Як спрямовані вектори швидкості та прискорення тіла, кинутого вертикально вверх? Чи змінюються вони з часом?
• Як спрямовані вектори швидкості та прискорення тіла, кинутого вертикально вниз?Чи змінюються вони з часом?
• Чи зміниться прискорення тіла, кинутого вертикально вниз, якщо збільшити його початкову швидкість?

 

Достатній рівень:

№ 1.

Тіло вільно падає із стану спокою. Яку воно матиме швидкість через 3с після початку падіння? Знайти переміщення тіла за 4с. (Відповідь: 30м/с; 80м)

№ 2.

Стріла випущена вертикально вверх з початковою швидкістю 20м/с. Через скільки часу вона впаде на землю і на якій максимальній висоті побуває?

(Відповідь: 4с; 20м)

 

Високий рівень:

№3.

Тіло вільно падає з висоти 40м, маючи початкову швидкість 10м/с. Скільки часу триває падіння. Знайти швидкість тіла в момент удару о землю (g≈10м/с²) (Відповідь: 2с;30 м/с)

№ 4.

Тіло вільно падає з деякої висоти протягом 6 секунд. Визначити переміщення тіла за останні 2 секунди. (Відповідь: 100 м)

4.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 13  № 53 (с. 62)
• Розв’язати задачу:

Тіло вільно падає протягом 5с. Знайти з якої висоти воно впало та швидкість тіла в кінці польоту (g≈10м/с²) (Відповідь: 125м; 50м/с)

№ 53.

Спортсмен стрибнув з десятиметрової вишки у воду. Визначте швидкість занурення спортсмена у воду і час перебування в польоті. Опором повітря знехтувати. (Відповідь: 14 м/с; 1,4 с)

 

 

 

 

 

План заняття № 5

Тема: Рівномірний рух тіла по колу. Період і частота обертання. Кутова і лінійна швидкість.

Мета заняття:

• актуалізувати знання учнів про криволінійний рух, рівнянь, що його описують;
• розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

2.   Актуалізація опорних знань. Засвоєння нових знань.

В природі і в техніці найчастіше відбуваються криволінійні рухи, траєкторія яких – довільна крива:

Миттєва швидкість при криволінійному русі напрямлена уздовж дотичної до траєкторії руху.

Найпростішим криволінійним рухом є рух по колу.

Такий рух здійснюють окремі точки колес транспортних засобів, точки лопастей вентиляторів (пропелерів) і корабельних гребних гвинтів, деталей шківово-пасових передач, свердел та ін.

Рівномірний рух матеріальної точки по колу – це такий рух, під час якого ця точка за будь-які рівні проміжки часу проходить дуги однакової довжини.

Періодом (Т) називається час, протягом якого матеріальна точка здійснює один повний оберт навколо деякої точки: ,               де N – число обертів; [ T ] = c

Частота (n) – це число обходів кола, здійснених матеріальною точкою протягом одиниці  часу (в системі СІ – секунди):               ;              ;                                           [n] = об/с.

Навіть рівномірний рух матеріальної точки по колу відбувається з прискоренням, оскільки напрям вектора  миттєвої швидкості безперервно змінюється під час такого руху.

Прискорення при рівномірному русі по колу напрямлене до центра кола і тому називається доцентровим прискоренням а_доц:               . 

υ – лінійна швидкість.  Лінійна швидкість – скалярна величина:

При N = 1 шлях дорівнює довжині кола: s=2πR, час дорівнює періоду Т (t=T), тоді: ;  або

Кутова швидкість – це швидкість, яка дорівнює бистроті зміни кута між деякими положеннями радіуса кола, який обертається під час руху матеріальної точки по колу.

;  ;  ; [ω] = рад/с = с^–1.

Зв’язок лінійної і кутової швидкостей: υ = ωR

3.   Узагальнення та систематизація знань.

 

Таблиця 1. Основні характеристики рівномірного руху по колу.

 

Величина	Формула	Одиниці вимірювання
Період і частота	;	[ Т ] =1с; [ n ]=с-1=1Гц
Швидкість	;	[ υ ]=1м/с
Прискорення	;  ;	[ адоц ]=1м/с2
Кутова швидкість	;  ;	[ω]=1рад/с

 

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.

Ковзаняр, рухається рівномірно зі швидкістю 12м/с по колу радіусом 50м. Знайти його доцентрове прискорення. (Відповідь: 2,88 м/с²)

Достатній рівень:

№ 2.

Період обертання валу 0,1с. Знайти лінійну та кутову швидкості обертання точок обода, якщо діаметр вала 1м. (Відповідь: 31,4 м/с; ω=62,8 рад/с)

 

№ 3.

Ротор турбіни діаметром 50см обертається з частотою 1000об/с. Знайти доцентрове прискорення. (Відповідь: 9,85·10⁶ м/с²)

 

№ 4.

З якою середньою лінійною та кутовою швидкістю обертається Земля навколо Сонця? Вважати орбіту круговою. Відстань від Землі до Сонця вважати рівною 150 млн. км. (Відповідь: υ =   29,9 м/с; ω = 19,9·10^–6 рад/с)

 

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 14 – 15; № 81 (с. 69)

 

№ 81. Колесо велосипеда має радіус 40 см. З якою швидкістю їде велосипедист, якщо колесо робить 120 об/хв.? Чому дорівнює період обертання колеса?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 6

Тема: Причини руху. Інерціальна система відліку. Перший закон Ньютона. Принцип відносності. Взаємодія тіл і прискорення. Інертність та інерція. Маса. Сили в природі.

Мета заняття:

•     пояснити сутність понять «інерціальна система відліку», «сила»;
•     розглянути види взаємодії, що існують в природі;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Актуалізація опорних знань

Фронтальна бесіда:

•    що таке сила, одиниці вимірювання сили;
•    навести приклади сил;
•    як поводить тіло у разі відсутності дії на нього сил? якщо всі сили скомпенсовані?

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Динаміка (від грец. сильний, сила)– розділ фізики, що вивчає причини зміни швидкості руху тіл під дією інших тіл.

Ісак Ньютон (1643 – 1727) – засновник динаміки. Його закони лежать в основі динаміки.

  І закон  динаміки ( закон інерції)

Існують такі системи відліку, відносно яких тіло зберігає свою швидкість сталою, якщо на нього не діють інші тіла, або дії інших тіл скомпенсовані.

?? Навести приклади, коли дії кількох тіл компенсуються.

Явище збереження швидкості тіла називається інерцією.

Відкриття закону інерції покінчило з неправильною думою про те, що коли немає зовнішнього впливу, воно перебуває тільки в стані спокою.

?? Як в цьому випадку може рухатися тіло?

Сила – міра взаємодії тіл, часток, або часток і поля (в фізиці).

Сила – причина прискорення тіл або частин тіла.

Сила – векторна величина. [ F ]=1 Н.

Сила характеризується напрямком, точкою прикладення та модулем.

Принцип відносності Г. Галілея:

Всі механічні явища природи відбуваються однаково в будь-яких інерціальних системах відліку.

Всі механічні явища можна пояснити за допомогою трьох видів сил:

• сили всесвітнього тяжіння;
• сили пружності;
• сили тертя.

На сьогодні достовірно відоме існування чотирьох фундаментальних взаємодій: гравітаційної, електромагнітної, сильної і слабкої взаємодій. Ведуться пошуки інших типів взаємодій, як в явищах мікросвіту, так і на космічних масштабах, проте поки існування якого-небудь іншого типу взаємодії не знайдено.

Сила пружності.

Якщо до твердого тіла прикласти силу, воно деформується, тобто змінює свій об'єм або форму, або й те, й інше. Деформації бувають пружними та непружними (пластичними).

?? Навести приклади, дати визначення.

Види деформацій. Усі види деформацій можна звести до двох основних: розтягу (або стискання) та зсуву. Деформації розтягу зазнають троси, канати, ланцюги, а деформацію стискання – опори.

Під час розтягу або стискання головне – це зміна об'єму тіла (хоча при цьому в деякій мірі змінюється і його форма). Комбінацією дефор­мацій розтягу й стискання є згин. Деформації згину зазнають, наприк­лад, перекриття будівель.

При деформації зсуву головне – це зміна форми тіла. За такої де­формації відбувається зсув шарів тіла відносно один одного. Комбіна­цією деформацій зсуву є крутіння – такої деформації зазнають, наприк­лад, болти під час закручування.

Під час деформацій виникають сили, що намагаються повернути тіло в початковий стан.

Сила пружності – сила, що виникає при деформації тіла.

Закон Гука.

Відкритий в 1660 році англ. вченим Робертом Гуком (Хуком) (англ. Robert Hooke).

Для тонкого пружно деформованого стрижня закон Гука має вигляд:  

Тут F сила натягу стрижня, Δl – його видовження (стискання) – абсолютне видовження, а k – коефіцієнтом пружності (або жорсткість)                            [ k ] = H/м

Мінус в рівнянні вказує на те, що сила розтягу завжди направлена в сторону, протилежну до деформації.

Динамометр – прилад для вимірювання сил. Дозволяє за величиною деформації пружини на основі закону Гука знайти модуль діючої сили.

Сила тертя.

За своєю фізичною природою сила тертя належить до електростатичних сил і не є фунда­менталь­ним типом взаємодії. В мікроскопічному світі сили тертя немає.

Сила тертя завжди направлена проти вектора швидкості.

Коли тіло пересувається на поверхні іншого тіла, сила тертя пропорційна силі реакції опори N із коефіцієнтом пропорційності μ, який називається коефіцієнтом тертя:                            F_терт = μN – сила тертя ковзання.

Розрізняють тертя кочення й тертя ковзання. Тертя кочення виникає у випадку, коли одне тіло котиться по поверхні іншого. Зазвичай тертя кочення значно менше тертя ковзання.

Окремо виділяється тертя спокою, оскільки сила, необхідна для того, щоб зрушити тіло з місця більша за силу, необхідну для того, щоб підтримати сталу швидкість.

F_{терт. спок} ≤  μN – сила тертя спокою.

Сила тертя – це  сила, яка протидіє рухові фізичного тіла, розсіюючи його механічну енергію в тепло.

­?? Навести приклади зменшення або збільшення сили тертя.

 

3.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.

Покажіть на малюнку сили, що виникають в кожному випадку:

а) шарик висить на пружній нитці

б) брусок лежить на столі;

в) брусок намагаються зрушити з місця, прикладаючи певну силу;

г) брусок рухається вздовж столу з постійною швидкістю (з прискоренням)

 

№ 2.

Знайти жорсткість стрижня, який під дією вантажу 1кН видовжився на 1мм.

 

№ 3.

Дерев’яний ящик важить 400Н. Щоб зрушити його з місця, була прикладена сила 200Н, спрямована горизонтально. Знайти коефіцієнт тертя.

 

Достатній рівень:

№ 4.

На скільки видовжиться риболовецька ліска  (коефіцієнт жорсткості k = 0,5кН/м), на якій висить риба масою 200г?

 

№ 5.

Дерев’яний брусок масою 2кг рівномірно тягнуть вздовж дерев’яної горизонтальної поверхні за допомогою пружини жорсткістю 100Н/м. Знайти видовження пружини (μ = 0,3)

4.    Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до учнів:

•    Коли виникає сила тертя спокою?
•    Чому дорівнює сила тертя спокою?
•    Чи завжди сила тертя заважає руху?
•    Коли виникає сила тертя ковзання, який напрямок вона має?
•    Від чого залежить сила тертя ковзання?

 

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи студентів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 16 – 19, 28, 29; 
• № 167, 168 (с. 130) – середній рівень
• № 181 (с. 131) – достатній рівень

 

№167. Визначте жорсткість пружини динамометра, якщо під дією сили 27 Н вона видовжилась на 9 см. На скільки видовжиться пружина під навантаженням 18 Н? (Відповідь: 300 Н/м; 0,006 м)

№ 168. Бетонну плиту вагою 120 кН рівномірно тягнуть по Землі. Сила тяги 54 кН. Визначте коефіцієнт тертя. (Відповідь: 0,45)

№ 181. Брусок масою 3 кг за допомогою пружини тягнуть рівномірно по дошці, розміщеній горизонтально. Яка жорсткість пружини, якщо вона видовжилась при цьому на 5 см? Коефіцієнт тертя між бруском і поверхнею 0,25. (Відповідь: 15 Н/м)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 7

Тема: Другий закон Ньютона.  Вимірювання сил. Додавання сил. Третій закон Ньютона.   

Мета заняття:

•     закріпити розуміння учнями вивченого матеріалу по темі «Види сил»;
•     вивчити ІІ та ІІІ закон Ньютона;
•     розглянути приклади додавання сил;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Фронтальна бесіда:

• Що вивчає динаміка?
• Що таке сила, одиниці вимірювання сили.
• Сформулювати І закон Ньютона;
• Які системи називаються інерціальними?
• Які бувають види деформації?
• Коли виникає сила пружності?
• Який напрямок має сила пружності?
• Сформулювати Закон Гука.
• Коли виникає сила тертя?
• Які бувають види тертя? Навести приклади.
• Який напрямок має сила тертя?
• Чи існує тертя рідини, повітря?
• Навести приклади коли сили тертя треба зменшити (збільшити). Як це зробити?

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

ІІ  закон Ньютона:

В інерціальних системах відліку прискорення тіла напрямлено вздовж вектора сили, пропорційне її модулю і обернено пропорційне масі тіла.                            

Або:

Рівнодійна всіх сил, прикладених до тіла, дорівнює добутку маси тіла на здобуте прискорення:

   

Зауваження:

1. Якщо взаємодіють два тіла з різними масами, то більше прискорення матиме те тіло, маса якого менша: . Таким чином, масу тіла можна визначити методом взаємодії тіла невідомої маси с тілом відомої маси.

?? Навести приклади вимірювання маси таким способом.

2. Якщо на тіло діє декілька сил, то знаходять рівнодійну діючих сил:

ІІІ  закон Ньютона:

При взаємодії тіла діють одне на одне із силами, рівними за модулем і протилежними за напрямком:               .

Закони динаміки мають межі застосування. Вони виконуються:

• в інерціальних системах відліку,
• коли тіла рухаються зі швидкостями, набагато меншими швидкості світла.

3.   Розв’язання задач.

Якісні задачі:

• М’яч вдаряється об стінку. На яке з тіл (м’яч чи стіна) діє більша сила?
• Чи може тіло рухатись вперед, якщо рівнодійна всіх сил спрямована в протилежний бік? Наведіть приклад.
• Чи правильне твердження: «прискорення тіла завжди спрямована так, як і діюча сила»?
• Чи правильне твердження: «швидкість тіла завжди спрямована так, як і діюча сила»?
• Чи може рівнодійна двох сил 5Н та 9Н дорівнювати: 3Н? 5Н? 7Н? 15Н? 20Н? Яке максимальне та мінімальне значення рівнодійної в цьому випадку? Розв’язати графічно.
• За якої умови тіло рухається рівномірно?
• За якої умови тіло рухається рівно прискорено?
• За якої умови тіло рухається нерівно прискорено?

Розрахункові задачі:

№ 1. (Зб. Гельфгат № 12. 23)

Автомобіль масою 2 т, рухаючись з місця, за 40 с набрав швидкість 36 км/год, потім рухався прямолінійно рівномірно. Перед перехрестям він зупинився за 8с. Знайти рівнодійну сил на кожній ділянці руху. (Відповідь: 500Н, 0Н, 2,5кН)

№ 2.

Швидкість тіла змінюється за законом υ = 20 – 1,5t. Знайти силу, що діє на тіло, якщо його маса 2 кг. Як рухається це тіло? (Відповідь: –3 Н)

№ 3. Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: № 174 (с. 130)

Автомобіль, маса якого 14 т, рушаючи з місця, перші 50 м проходить за 10 с. Визначте силу тяги, якщо коефіцієнт опору дорівнює 0,05. (Відповідь: 21 кН)

№ 4. Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: № 120 (с. 104)

М’яч масою 0,5 кг після удару, що тривав 0,2 с, набуває швидкості 10 м/с. Визначте середню силу удару. (Відповідь: 25 Н)

4.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 20 – 21;  № 116 (с. 104)
• Задача: (Зб. Гельфгат  №12.24)

Літак масою 30т торкається посадочної смуги на швидкості 144 км/год. Якою була сила протистояння руху, якщо до зупинки він пробіг 800м. (Відповідь: 30кН)

№ 116. Під дією якої сталої сили тіло масою 300 г, що знаходилось у стані спокою, протягом 5 с пройде шлях 25 м? (Відповідь:  0,3 Н)

 

План заняття № 8

Тема: Гравітаційна взаємодія. Закон всесвітнього тяжіння. Сила тяжіння. Вага і невагомість. Штуч­ні супутники Землі. 

Мета заняття:

•     закріпити розуміння учнями вивченого матеріалу по темі «Закони Ньютона»;
•     пояснити сутність поняття «маса»;
•     вивчити закон всесвітнього тяжіння, навести приклади його прояву;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Мотивація навчальної діяльності.

Гравітація – це властивість масивних тіл притягуватись одне до одного.

Гравітація є, зокрема, причиною земного тяжіння, внаслідок якого предмети падають на Землю. Також орбіта Місяця навколо Землі і Землі та інших планет навколо Сонця визначається законами гравітації.

2.   Засвоєння нових знань.

Закон всесвітнього тяжіння був вперше сформульований Ісааком Ньютоном у 1687 році в роботі «Математичні принципи натуральної філософії».

Вивчивши відомі на той час дані про рух планет, а саме Землі та місяця, Ньютон дійшов висновку, що сила тяжіння  між тілами не тільки пропорційна масі тіл, ай залежить від відстані між тілами.

Закон всесвітнього тяжіння:

Дві матеріальні точки масами m₁ та m₂ притягуються із силою, прямо пропорційною добутку мас цих тіл і обернено пропорційною квадрату відстані між ними:                                                                      

–  гравітаційна стала.

Знайдемо прискорення вільного падіння, застосовуючи закон всесвітнього тяжіння. Для тіла ,що знаходиться поблизу Землі: ,

де М_З=5,98·10²⁴ кг – маса Землі; R_з=6,4·10⁶ м – радіус Землі, m_т – маса тіла.

З іншого боку F=mg → . Отже, – прискорення вільного падіння.

У випадку коли тіло піднято на висоту h:

– закон всесвітнього тяжіння на висоті h;

– прискорення вільного падіння на висоті h.

 

Маса тіла.

 Маса – фізична величина, яка є однією з основних характеристик матерії та визначає її інерційні, енергетичні та гравітаційні властивості.

Маса зазвичай позначається латинською літерою m [ m ]=1 кг

•                               Маса як міра інертних властивостей тіла характеризує здатність тіла протидіяти зміні його швидкості під дією сили.

Наприклад, за умови, що сила однакова, об'єкт з меншою масою легше змінює свою швидкість ніж об'єкт з більшою масою. Інертна маса фігурує у другому законі Ньютона.

•                  Маса як міра гравітаційних властивостей тіла характеризує інтенсивність взаємодії тіла з гравітаційним полем. Вона фігурує у Ньютонівському законі всесвітнього тяжіння.

Вага і невагомість.

Вага – сила, з якою тіло діє на горизонтальну опору або на вертикальний підвіс внаслідок впливу сили тяжіння цього об'єкту.

У випадку коли тіло знаходиться в стані спокою або рухається прямолінійно рівномірно вага за модулем дорівнює силі тяжіння:  Р=F = mg.

Залежність ваги від прискорення

Із означення ваги, як сили, з якою тіло діє на опору, тобто сили реакції, вага тіла залежить від його прискорення. Наприклад, у ліфті, що рушає вгору, вага тіла збільшується на величину прискорення ліфта, а у ліфті, який спускається додолу, вага тіла зменшується на величину прискорення:

Р= m(g+а) – тіло рухається з прискоренням а, спрямованим вверх.

Р= m(g–а) – тіло рухається з прискоренням а, спрямованим вниз.

Тіло, яке вільно падає з висоти, втрачає вагу. Такий стан називається невагомістю: Р=0, якщо g=a

Вплив невагомості на здоров'я людини

Після появи космічних станцій, було виявлено, що перебування у невагомості має шкідливі наслідки на здоров'я людини. Після тривалого періоду перебування у середовищі невагомості різні фізіологічні системи починають змінюватися і атрофуватися. Хоча ці зміни є зазвичай тимчасовими, вони можуть призвести до серйозніших хвороб.

Під час перших годин у стані невагомості приблизно 45 % усіх людей зазнають симптомів синдрому космічної адаптації (СКА), також знаний як космічна хвороба. До ознак космічної хвороби належать нудота і блювота, запаморочення, головний біль, млявість або повне нездужання. Перший випадок СКА був повідомлений космонавтом Германом Титовим у 1961 році. Тривалість космічної хвороби змінюється, але не було зафіксовано випадків, коли вона тривала більше 72 годин.

Штуч­ні супутники Землі

Якщо тілу на висоті h над Землею надати горизонтальної швидкості, то воно падатиме по параболі, але, якщо швидкість буде достатньо великою, то за рахунок віддалення Землі тіло може облетіти всю Землю, ставши його штучним супутником.

Швидкість, яку треба надати тілу, щоб воно змогло стати штучним супутником, називається І космічною швидкістю.

Розрахунок І космічної швидкості.

Оскільки штучний супутник рухається по круговій орбіті, то . За ІІ законом Ньютона F = ma. За законом всесвітнього тяжіння: . Отже, → або

Розрахуємо І космічну швидкість:

На висоті h І космічна швидкість дорівнює:

3.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1. Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: № 159 с.123

Шахтна кліть у стані спокою важить 2500 Н. З яким прискоренням опустилася кліть, якщо її вага зменшилася до 2000 Н? (Відповідь: 2 м/с²)

№ 2.

Знайти відстань між двома матеріальними точками масою по 100 кг кожна, що притягуються з силою 0,1 мкН. (Відповідь: 2,58 м)

Достатній рівень:

№ 3.

Знайти прискорення вільного падіння на висоті, рівній радіусу Землі.

(Відповідь:  2,4м/с²)

№ 4.

На якій відстані від Землі прискорення вільного падіння дорівнює 1м/с²? 

(Відповідь: 13600км)

№ 5. (Зб. Гельфгат № 14.13)

Космічний корабель вийшов на кругову орбіту радіусом 10млн км відкритої зірки. Знайти масу зорі, якщо період обертання корабля навколо зорі 628000с.

(Відповідь:  1,5·10³⁰кг)

4.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 22 – 27 № 130
• Опрацювати самостійно тему: «Внесок українських вчених у розвиток космонавтики (Ю.Кондратюк, С.Корольов та ін.)»

№ 130. Якою буде сила взаємного притягання між двома супутниками Землі масою по 3,87 т кожен, якщо вони наблизяться один до одного на відстань 100 м?

 

 

План заняття № 9

Тема: Рух тіла під дією кількох сил. Рівновага тіл. Момент сили. УмовИ рівноваги тіла, що має вісь обертання.

Мета заняття:

•     вивчити рух тіла під дією кількох сил;
•     дослідити умови рівноваги тіла, що має вісь обертання;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Фронтальна бесіда:

• Що таке сила, рівнодійна сил?
• Як змінюється сила тяжіння та прискорення вільного падіння у випадку, коли тіло піднято на висоту h?
• Що означає вислів: «маса – міра інертних властивостей тіла»?
• Що означає вислів: «маса – міра гравітаційних властивостей тіла»?

• Самостійна робота (практична складова (5 балів))

2.   Засвоєння нових знань.

Розділ механіки, в якому вивчаються умови рівноваги тіл, називається статикою.

Рівновагою тіла називають такий стан, коли будь-яке прискорення тіла дорівнює нулю, тобто всі дії на тіло сил і моментів сил зрівноважені.

При цьому тіло може:

• знаходитись у стані спокою (рис. а);
• рухатись рівномірно і прямолінійно (рис. б);
• рівномірно обертатись навколо осі, яка проходить через центр його тяжіння (рис. с)

Центром мас тіла називають точку, через яку проходять сили, що змушують тіло рухатись поступально.

Центром тяжіння тіла називають точку прикладення сили тяжіння.

Якщо під дією сили тяжінні тіло рухається поступально, то центр мас і центр тяжіння співпадають.

 

 

Види рівноваги.

Дослідити поведінку тіла на гладкій поверхні:

Висновок: Розрізняють три види рівноваги тіл:

1. стійку рівновагу, якщо тіло, будучи виведеним із положення рівноваги в сусіднє найближче положення і залишене в спокої, повернеться в це положення;
2. нестійку рівновагу, якщо тіло будучи виведеним із положення рівноваги в сусіднє положення і залишене в спокої, буде ще більше відхилятися від цього положення.
3. байдужу рівновагу - якщо тіло, будучи виведеним в сусіднє положення і залишене в спокої, залишиться в новому своєму положенні.

 

Дослідити поведінку тіла, що має вісь обертання:

 

 

Висновок: Рівновага тіла із закріпленою віссю обертання буде:

1. стійкою, якщо в положенні рівноваги центр тяжіння С займає найнижче положення з усіх можливих ближніх положень (рис. а);
2. нестійкою, якщо центр тяжіння С займає найвище із всіх ближніх положень (рис. б);
3. байдужою, якщо центр тяжіння тіла С в усіх ближніх можливих положеннях знаходиться на одному рівні (рис. в).

Важіль, види важелів.

Важіль – простий механічний пристрій, що є твердим тілом, здатним обертатися навколо точки опори.

Важіль І роду – точка опори розташована між лініями прикладення сил (рис.1).

Важіль ІІ роду – точка опори розташована по один бік до ліній прикладення сил (рис.2).

Найкоротша відстань між точкою опори і прямою, вздовж якої діє на важіль сила, називається плечем сили. 

Щоб знайти плече сили, треба опустити перпендикуляр з точки опори на лінію, співпадаючу з напрямом дії сили.

На рис.3  плечем сили F₁ є відстань ОА (l₁), а сили  F₂ є відстань ОВ (l₂).

 

Момент сили – дорівнює добутку сили на відповідне плече: M = F ^.l.

Момент сили, що обертає тіло проти годинникової стрілки, вважають додатнім, за годинниковою стрілкою – від’ємним.

Умови рівноваги важеля.

І умова рівноваги важеля:

Векторна сума всіх сил, що діють на тіло, дорівнює нулю (сума алгебраїчних проекцій всіх сил на будь-яку вісь дорівнює нулю):

ІІ умова рівноваги важеля (правило моментів):

Алгебраїчна  сума моментів всіх сил, що діють на тіло, відносно будь-якої точки дорівнює нулю:                                          

У випадку, коли на тіло діє дві сили правило моментів матиме вигляд:  

где F₁ и F₂  – сили, що діють на важіль, l₂, l₁– плечі сил.

 

3.   Розв’язання задач.

№ 1.

Невагомі стрижні АВ та ВС шарнірно скріплені між собою та стіною. Знайти сили пружності, що виникають в стрижнях, якщо α=60°, а маса ліхтаря 2кг.

Фізика 10 кл. Є.В. Коршак  впр. 15 № 1, 2.

4.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 30 – 32;  с. 141 задача 2 – оформити в зошиті

Задача.

Дошка масою 28 кг і довжиною 1,2 м лежить на двох опорах. Ліва опора знаходиться на відстані 30 см від краю дошки, а права – на відстані 15 см. Яку мінімальну силу треба прикласти, щоб підняти дошку за лівий край? За правий край? (Відповідь: 118 Н; 93,3 Н)   

.

 

 

 

 

 

 

План заняття № 10

Тема: Імпульс тіла. Закон збереження імпульсу. Реактивний рух.

Мета заняття:

•     перевірити знання учнів по темі «Механіка»;
•     вивчити закон збереження імпульсу;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Фронтальна бесіда:

• Що вивчає статика?
• Назвати види рівноваги. Яке положення займає центр мас тіла в кожному випадку?
• Дати визначення поняттям: «важіль», «плече сили», «момент сили».
• Сформулювати І та ІІ умови рівноваги важеля.

2.   Засвоєння нових знань.

Закони збереження.

Якість збереження – це якість лишатися незмінним.

Закони збереження допомагають розв’язати багато питань в механіці, особливо, коли виміряти сили складно.

Всі закони збереження виконуються в замкнених системах відліку.

Під замкнено системою розуміють сукупність сил, що взаємодіють між собою при відсутності зовнішніх сил.

Закон збереження імпульсу.

Запишемо ІІ  закон Ньютона: . Оскільки, , то → .

– імпульс сили. [ Ft ] = 1Н·с.

імпульс тіла (кількість руху). [ m·υ ]= 1кг·м/с.

. Імпульс сили дорівнює зміні імпульсу тіла.

! Закон збереження імпульсу: геометрична сума імпульсів тіл, що утворюють замкнену систему, залишається сталою при будь-яких рухах та взаємодіях тіл системи.

де імпульси тіл до взаємодії, імпульси тіл після взаємодії.

Або:   – закон збереження імпульсу для двох тіл.

Рух, який відбувається внаслідок відділення частини системи з деякою швидкістю, називається реактивним.

?? Навести приклади реактивного руху в природі та техніці.

3.   Розв’язання задач.

План розв'язання задач   на закон збереження імпульсу

1. Зробити малюнок, на якому позначити напрями осі координат, векторів швидкості тіл до і після взаємодії
2. Записати у векторному вигляді закон збереження імпульсу
3. Записати закон збереження імпульсу в проекції на вісь координат
4. З отриманого рівняння виразити невідому величину і знайти її значення

№ 1.

Рух матеріальної точки описується рівнянням: x(t)=5–8t+4t². Знаючи, що маса тіла складає 2кг, знайти імпульс через 4с після початку відліку часу.

(Відповідь: 48 кг·м/с)

№ 2. Фізика 10 кл. Є.В. Коршак  впр. 16 № 2

З гармати стріляють у горизонтальному напрямі. Визначити імпульс снаряда, якщо його маса становить 65кг, а швидкість у момент вильоту 600м/с. Яку швидкість матиме при віддачі гармата, якщо її маса 1т.

№ 3. Фізика 10 кл. Є.В. Коршак  впр. 16 № 3

Людина масою 70кг біжіть зі швидкістю 7м/с, доганяє візок m=30кг, що рухається зі швидкістю 2м/с і стрибає на нього. З якою швидкістю буде рухатися візок після цього? (Відповідь: 5,5 м/с)

№ 4.

Фізика 10 кл. Є.В. Коршак  впр. 16 № 4

Якої швидкості відносно води набуде нерухомий човен маса якого з вантажем становить 200кг, якщо пасажир, що знаходиться у човні, зробить постріл у напрямі корми? Маса кулі 10г, а її початкова швидкість 800м/с.

4.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 33 – 34;  № 210 (с. 149)

№ 210

Вагон масою 30т, що рухається горизонтально зі швидкістю 1,5м/с, автоматично на ходу зчіплюється з нерухомим вагоном масою 20т та рухає його перед собою. Знайти швидкість руху вагонів після зчеплення.   (Відповідь: 0,9м/с)

 

 

 

План заняття № 11

Тема: Механічна енергія. Кінетична і потенціальна енергія. Закон збереження енергії в механічних процесах.

Мета заняття:

•     перевірити знання учнів по темі «Механіка»;
•     ввести поняття енергії, роботи, потужності;
•     вивчити закон збереження енергії;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Підсумковий тест по темі «Механіка»

2.   Повідомлення теми, формування мети та основних завдань.
3.   Засвоєння нових знань.

Закон збереження енергії.

Механічна енергія поділяється на:

• Кінетичну (енергія руху):
• Потенціальну (енергія взаємодії): ,

Повна механічна енергія дорівнює сумі потенціальної та кінетичної енергії.

! Закон збереження енергії:

Повна механічна енергія замкненої системи тіл залишається незмінною при будь-яких рухах та взаємодіях тіл системи: .

Робота і потужність.

Механічна робота характеризує дію сили:

[ А ]=1Дж=1Н·м

• А>0, якщо  α<90°
• А=0, якщо  α=90°
• А<0, якщо  α>90°

?? Навести приклади для кожного випадку.

Робота сили тяжіння: A=mg(h₁-h₂).

• Робота сили тяжіння не залежить від виду траєкторії, а лише від початкового та кінцевого рівнів над землею.
• Робота сили тяжіння на будь-якій замкненій траєкторії дорівнює нулю.

Робота сили пружності: , де k – жорсткість пружини.

Робота рівнозмінної сили: А=F_c·s, де – середня сила, що діє на тіло

Робота характеризується зміною енергії тіла:

А=Е_к1 – Е_к2 – теорема про кінетичну енергію:  робота дорівнює зміні кінетичної енергії тіла.

А=Е_р1 – Е_р2   –  робота дорівнює зміні потенціальної енергії тіла зі знаком “мінус”.

Потужність – фізична величина, що дорівнює відношенню здійсненої роботи А до проміжку часу t, за який її було здійснено:               .               [ p ]=Дж/с=Вт.

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.

Яку роботу треба здійснити для рівномірного переміщення по горизонтальній поверхні на відстань 500м тіла масою 200 кг. Напрямок дії сили співпадає з напрямком руху тіла, μ=0,02. Розв’язати задачу для випадку, якщо тіло переміщують з прискоренням 0,1 м/с².

№2.

Трактор долає силу опру 10 кН, розвиваючи при цьому потужність 35 кВт. Знайти швидкість руху трактора. (Відповідь: 3,6м/с)

Достатній рівень:

№ 3.

Знайти потенціальну та кінетичну енергію стріли масою 50 г, що випустили вертикально вгору  зі швидкістю 30 м/с через 2 с після початку руху. Опором повітря знехтувати. (Відповідь: 20 Дж; 2,5 Дж)

№ 4.

Тіло кинули вертикально вниз з висоти 75м з початковою швидкістю10м/с. В момент удару о землю кінетична енергія тіла становила 1600Дж. Знайти швидкість тіла в момент удару та його масу. (Відповідь: 40м/с; 2кг )

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 35 – 36;  № 231, 236 (с. 149)

№ 231 Визначте потенціальну енергію пружини, стиснутої на 30 мм силою 2600 Н.

№ 236 Тіло кинули вертикально вгору зі швидкістю 20м/с. На якій висоті його потенціальна енергія дорівнюватиме кінетичній? (Відповідь: 10м)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 12

Тема: Основні положення мКТ. Розміри і маси молекул і атомів. Число Авогадро.

Мета заняття:

•     з’ясувати задачі і цілі  МКТ;
•     сформулювати основні положення МКТ;
•     навести приклади явищ, що підтверджують основні положення МКТ;
•     дати визначення та формули для знаходження величин: М, Мr, ν, N;
•     з’ясувати фізичний зміст  числа Авогадро;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Ми живемо в світі макроскопічних тіл. Механіка вивчає закони руху або спокою цих тіл, але вона не може пояснити деякі явища: агрегатні стани речовини, нагрів та охолодження, процеси пароутворення, плавлення та кристалізації тощо.

?? Спробуйте пояснити ці явища.

Висновок: для пояснення деяких явищ треба знати внутрішню будову речовини.

Історична довідка:

Ще задовго до нашої ери, в період розквіту древніх культур, виникло вчення про найдрібніших частинках, з яких побудовано будь-яка речовина. Одна з давньоіндійських філософських шкіл вчила, що вічні частини всесвіту складаються з чотирьох елементів: води, землі, вогню і повітря. Частинки цих елементів вічні і нерукотворні.

Давньогрецькі філософи Анаксагор (500 – 428 до н. э.) і Демокріт (бл. 460 до н.е.)
вважали, що будь-яка речовина складається з найдрібніших неподільних частинок – атомів.

Згідно з вченням атомістів, існують тільки атоми і порожнеча (атом - грецьке слово, що означає «неподільний»). Атомів нескінченна безліч, і вони нескінченно різні за формою, але якісної відмінності атомів не існує.

Противники атомізму стверджували, що матерія ділиться до нескінченності. До їх числа може бути віднесений Аристотель.

В епоху середньовіччя, коли були закладені основи фізики, видатні вчені того часу також стояли на позиціях атомістики (Г. Галілей). Ряд висловлювань, що передбачили деякі положення молекулярної теорії, були розвинені значно пізніше. Наприклад, І.Ньютон (1642 – 1727) висунув ідеї про кристалічну решітку, міжмолекулярні сили та ін.

В середині XVIII ст. М. В. Ломоносов сформулював молекулярну гіпотезу, основні риси якої досить близькі до сучасних поглядів.

МКТ – молекулярно-кінетична теорія – це вчення про дискретно-молекулярну будову речовини.

Основні положення МКТ:

1. Речовина дискретна і складається з молекул.
2. Молекули перебувають в безперервному хаотичному русі.
3. Молекули взаємодіють між собою.

Тепловий рух – хаотичний безперервний рух молекул.

Явища та факти, що експериментально підтверджують положення МКТ:

• Великі молекули можна бачити в електронному мікроскопі. Розмір молекул порядку 10^-9м, а атомів 10^-10м.
• Газ легко стиснути.
• Рідину (наприклад, воду) на відміну від газу практично неможливо стиснути.
• Дифузія – взаємне перемішування молекул речовин, що торкаються одна одну.

 

 

 

 

• Вимірювання розмірів молекул дослідним шляхом:

 

 

 

 

 

 

• Осмос – процес односторонньої дифузії через напівпроникну мембрану молекул розчинника в бік більшої концентрації розчиненої речовини (меншій концентрації розчинника)
• Осмос – процес проникнення молекул речовини крізь пористі перегородки.

Більш широке тлумачення явища осмосу засноване на застосуванні принципу Лешательє - Брауна: якщо на систему, що знаходиться в стійкій рівновазі, впливати ззовні, змінюючи яку-небудь з умов рівноваги (температуру, тиск, концентрацію, зовнішнє електромагнітне поле), то в системі посилюються процеси , спрямовані на компенсацію зовнішнього впливу.

Осмос відіграє важливу роль у багатьох біологічних процесах . Мембрана, що оточує нормальну клітину крові, проникна лише для молекул води, кисню, деяких з розчинених у крові поживних речовин і продуктів клітинної життєдіяльності; для великих білкових молекул, що знаходяться в розчиненому стані всередині клітини, вона непроникна. Тому білки, настільки важливі для біологічних процесів, залишаються всередині клітини. Осмос бере участь в перенесенні поживних речовин в стовбурах високих дерев, де капілярний перенос не здатний виконати цю функцію.

• Броунівський рух. Вперше спостерігав англійський ботанік Р. Броун в 1827р, роздивляючись в мікроскоп спори північноамериканської рослини Clarkia pulchella (Кларка гарненькою (хорошенькая)). Несподівано Броун побачив, що дрібні тверді крупинки, які ледве можна було розгледіти у краплі води, безперервно тремтять і пересуваються з місця на місце. Він встановив, що ці рухи, за його словами, «не пов'язані ні з потоками в рідині, ні з її поступовим випаровуванням, а притаманні самим частинкам». Проложивши досліди з неживими пилинками вугілля, мінералів, Броун дійшов висновку, що даний рух притаманний в неживим маленьким часточкам.
• Броунівський рух – тепловий рух малих твердих часток, що знаходяться в рідині або газі.
• Підтвердженням ІІІ положення МКТ є міцність речовини, прояви сил пружності, тертя та ін.

Маса молекул. Кількість речовини.

Оскільки розміри молекул малі, то і маса дуже мала: m₀(H₂O)≈2,7∙10^–27кг. Це незручно.

Поняття атомної маси ввів Джон Дальтон в 1803 році, одиницею виміру атомної маси спочатку служила маса атома гідрогену (так звана гідрогенна шкала). У 1818р. Берцеліус опублікував таблицю атомних мас, віднесених до атомної масі оксигену, прийнятої рівною 103. Система атомних мас Берцеліуса панувала до 1860-х років, коли хіміки знову прийняли водневу шкалу. Використання двох шкал мало ряд недоліків, внаслідок чого з 1961 перейшли до єдиної, картонної  шкали.

Відносна атомна (молекулярна) маса – Mr – це відношення маси атому (молекули) m₀ даної речовини до 1/12 маси атома карбону С.      ;              

Це порівняння було прийнято в 1961 р. на пропозицію Міжнародного союзу теоретичної і прикладної хімії (International Union of Pure and Applied Chemistry), в 1960 р. з такою ж пропозицією виступав Міжнародний союз теоретичної і прикладної фізики. Такий вибір обумовлений тим, що Карбон входить до складу багатьох хімічних сполук.

1 а.о.м. ≈ 1,660∙10^-27кг

Задача (Г. впр.1 №1,2)

Знайтиза зразком: Mr(O₂) = 16 ∙ 2 = 32 а.о.м.  M(O₂) = 32 г/моль = 32·10^-3 кг/моль

a) Mr(СН₄), M(СН₄);            б) Mr(Н₂S), M(H₂S);         в)  Mr(Н₂SO₄), M(H₂SO₄). 

ν - кількість речовини. [ ν ] = 1 моль.

1 моль – це така кількість речовини, в якій міститься стільки ж молекул (або атомів), скільки їх міститься в 0,012кг карбону (С).

Ця кількість становить: N_A≈ 6,02·10²³ моль^-1 – число Авогадро.  .

Молярна маса – М – маса 1 моля речовини.

М=m₀·N_A;  m=m₀·N;  ;  .

2.   Узагальнення та систематизація знань.

Узагальнюючі питання:

•    що дозволяє пояснити МКТ, її задачі та цілі;
•    сформулювати основні положення МКТ;
•    назвати явища, що підтверджують основні положення МКТ.

3.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1. ( Зб. Гладкова № 1.7)

Знайти масу однієї молекули оксигену, вуглекислого газу, водяної пари, аміаку (NH₃).

(Відповідь: 5,33·10^–26 кг; 7,3·10^–26 кг; 3·10^-26 кг; 2,8·10^–26 кг)

№ 2. ( Зб. Гладкова № 1.3)

Скільки молей міститься в 32кг метану (СН₄)?

(Відповідь: 2000 моль)

№ 3. ( Зб. Гладкова № 1.15)

Капля масла об’ємом 0,050 мм³ розлилася по поверхні води, утворивши плівку площею 1200 см². Вважаючи, що товщина масла складає одну молекулу, знайти діаметр молекул масла.

(Відповідь: 4·10^–10 м)  

Достатній рівень:

№ 4. (Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк  № 277(с. 205)

Який об’єм займають 100 молів ртуті?

(Відповідь: 1,47·10^–3 м³)

№ 5. (Фізика 10 кл. Є.В. Коршак  впр. 26 № 1)

Скільки молекул міститься в 2,5 г сірководню (H₂S)?

(Відповідь: 4,4·10²² молекул)

4.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 40–43  № 275, 276, 278 (с. 205)

 

№ 275.

Визначте масу молекули води і кухонної солі.

(Відповідь: 2,9·10^–26 кг; 4,6·10^–26 кг)

№ 276.

Яка кількість речовини міститься у свинцевому виливку масою 41,4 кг?

(Відповідь: 200 молів)

№ 278.

Яка маса 500 молів ртуті? (Відповідь: 22 кг)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 13

Тема: Взаємодія атомів і молекул речо­вин у різних агрегатних станах. Температура та її вимірю­вання.

Мета заняття:

•     перевірити знання учнів по темі «Основні положення МКТ»;
•     поглибити і розширити знання студентів про температуру;
•     вве­сти поняття абсолютної температури, середньої квадратичної швидкості молекул;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Методи: фронтальна бесіда, індивідуальна робота, репродуктивні, дискусія, з елементами проблемного навчання.

Література (основна та додаткова):

1. Підруч. для 10 кл. загальноосвіт. навч. закл.: (рівень стандарту)/В. Д. Сиротюк, В. І. Баштовий. – К.: Освіта, 2010

2. Є.В. Коршак, О.І.Ляшенко, В.Ф. Савченко Фізика 10 клас. Підруч. для загальноосвіт. навч. закл.: (рівень стандарту) – К.: Генеза, 2010

3. Кирик Л.А. Фізика – 10. Самостійні та контрольні роботи. Х.: “Гімназія”, 2006.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Фронтальна бесіда:

• Що вивчає МКТ?
• Чим відрізняються агрегатні стани речовини?
• Сформулювати основні положення МКТ
• Що називається тепловим рухом, дифузією, броунівським рухом, осмосом?
• Дати визначення понять «відносна молекулярна маса», «молярна маса»
• Який фізичний зміст сталої Авогадро?

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Проблемні питання:

Чи можна виміряти температуру окремої молекули тіла? Чим відрізняються молекули або їхня поведінка у холодного та нагрітого тіла?

Висновок:  температура характеризує середню кінетичну енергію руху молекул.

Температура й теплова рівновага.

?? Що буде відбуватися, якщо привести в контакт два тіла – холодне й гаряче? (Тем­пература кожного з тіл буде змінюватися з часом доти, поки темпера­тури тіл не стануть однаковими. Ми говоримо, що тіла досягнуть стану теплової рівноваги.)

Висновок:  температура характеризує стан теплової рівно­ваги системи тіл: усі тіла системи, що перебувають у теп­ловій рівновазі, мають одну й ту саму температуру.

Вимірювання температури. Термометри.

Для вимірювання темпе­ратури можна скористатися зміною будь-якої макроскопічної величи­ни в залежності від температури: об'єму, тиску, швидкості звуку, електричного опору тощо.

На практиці для вимірювання температури використовують:

• рідинні та механічні термометри,
• термопару,
• термометр опору,
• газовий термометр,
• пірометр.

 Шкала Цельсія.

У 1665 році голландський фізик Християн Гюйгенс разом з англійським фізиком Робертом Гуком вперше запропонували використовувати як відлікові точи температурної шкали точки танення льоду і кипіння води.

У 1742 шведський астроном, геолог і метеоролог Андерс Цельсій (1701-1744) на основі цієї ідеї розробив нову температурну шкалу. Спочатку в ній 0 ° була точка кипіння води, а 100 ° – температура замерзання води (точка плавлення льоду). Пізніше, вже після смерті Цельсія, його сучасники і співвітчизники ботанік Карл Лінней і астроном Мортен Штремер використовували цю шкалу в перевернутому вигляді (за 0 ° стали приймати температуру танення льоду, а за 100 ° – кипіння води). У такому вигляді шкала і використовується до нашого часу.

Абсолютна температура. Шкала Кельвіна.

Спосіб визначення температури, не пов'язаний із властивостями однієї конкретної речовини, можна запропону­вати завдяки властивості газів, виявленій експериментально: у разі нагрівання на 1 °С газу, що займає сталий об'єм, його тиск підви­щується на величину, яка дорівнює 1/273 тиску за температури 0°С:

де р і р₀ – відповідно тиск газу за температур t і 0 °С, а – термічний коефіцієнт тиску.

Абсолютний нуль – гранична температура, при якій тиск ідеального газу дорівнює нулю при сталому об’ємі.

Описану вище шкалу називають шкалою Кельвіна. [ T ] = 1 K

Зв’язок між шкалою Цельсія та абсолютною шкалою можна ви­разити формулою: T = t + 273.

Задача: (середній рівень)

Виразити температуру відповідно в Кельвінах та градусах Цельсія:

t, °С	T, K	t, °С	T, K
27 °С			23 К
–23 °С			93 К
370 °С			753 К

Ідеальний газ – це газ, в якому середня відстань між молекулами набагато більша розмірів молекул, тому потенціальною енергією молекул можна знехтувати.

– середня кінетична енергія поступального руху молекули ідеального газу.

Температура –  міра середньої кінетичної енергії молекул:  .

Чим вища температура, тим швидше рухаються молекули. У разі наближення температури до абсолютного нуля енергія теплового руху молекул також наближається до нуля.

k ≈ 1,38∙10^-23Дж/К – стала Больц­мана – виражає співвідношення між одиницею енергії й одини­цею температури.

Стала Больцмана показує, на скільки зміниться кінетична енергія однієї молекули в разі зміни температури на один градус.

– залежність між тиском ідеального газу і температурою.

3.   Розв’язання задач.

Середній рівень

№ 1.

Визначити температуру газу, якщо його середня кінетична енергія хаотичного руху складає 5,6·10^–21Дж. (Відповідь: 270К)

№ 2.

Який тиск чинять пари ртуті в балоні лампи об’ємом 3·10^–5 м³ при температурі 27ºС, якщо в ній міститься 10¹⁸ молекул? (Відповідь: 138 Па)

 

Достатній рівень

№ 3.

Знайти кількість молекул повітря, що знаходиться в приміщення розміром 642,5м за температури 300К та тиску 99,8кПа. (Відповідь: 1,45·10²⁷ )

 № 4.

Знайти та молекул оксисену та гідрогену за температури 27 ºС. Зробіть висновок на основі отриманих результатів. (Відповідь: 6,2·10^–21Дж; 490м/с; 1900м/с )

 

4.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

 

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 45 № 281
• Опрацювати самостійно тему: «Вимірювання швидкості руху молекул. Дослід Штерна»

 

№ 281

Який тиск чинить газ при температурі  27 ºС у посудині місткістю 2 л, якщо він складається з 10²² молекул? (Відповідь: 20700 Па).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 14

Тема: Властивості газів. Основне рівняння мкт ідеального газу.

Мета заняття:

•     перевірити знання учнів по темі «Основні положення МКТ»;
•     вивчити основне рівняння МКТ ідеального газу;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Фронтальна бесіда:

• Сформулювати основні положення МКТ.
• Що називається ідеальним газом, чим він відрізняється від реального?
• Що розуміють під тепловою рівновагою тіл?
• Ртутний термометр показує температуру 37 °С. Якій абсолютній тем­пературі це відповідає?
• Чому дорівнює абсолютний нуль температури за шкалою Цельсія?
• Які переваги має абсолютна шкала температур у порівнянні зі шка­лою Цельсія?
  • Описати установку та механізм проведення досліду Штерна. Які значення швидкостей були отримані.

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Основне рівняння МКТ ідеального газу.

Основна задача молекулярно-кінетичної теорії газу полягає в тому, щоб установити співвідно­шення між тиском газу та його мікроскопічними параметрами – масою молекул, їх середньою швидкістю та концентрацією. Це співвідношення називається основним рівнянням молекулярно-кінетичної теорії газу.

Основне рівняння МКТ ідеального газу має вигляд: , де  т₀ – маса однієї молекули газу, – концентрація молекул, – середнє значення квадрата швидкості молекул. Ко­ефіцієнт 1/3 зумовлений тривимірністю простору – тим, що під час хаотичного руху молекул усі три напрямки рівноправні.

Проаналізуємо вираз :   .

Отже, основне рівняння МКТ можна записати у вигляді:

Зв'язок тиску із середньою кінетичною енергією молекул.

Враховуючи, що середня кінетична енергія поступального руху молекули   , основне рівняння МКТ можна записати у вигляді: .

 

 

3.   Узагальнення знань.

Заповнити узагальнюючу таблицю:

Назва	Формула
Молярна маса	М=m0·NA
Маса однієї молекули
Кількість речовини	;
Кількість молекул
Маса речовини	m=m0·N
Концентрація молекул
Густина
Основне рівняння МКТ	; ; ;
Середня кінетична енергія руху молекул	; .
Середня швидкість руху молекул	;
Число Авогадро	NA≈ 6,02·1023 моль–1
Стала Больц­мана	k ≈ 1,38∙10-23Дж/К
Універсальна газова стала	R ≈ 8,31Дж/(моль·К)

 

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень

№ 1. Чому дорівнює середня кінетична енергія хаотичного руху молекул аргону, якщо 2 кг його, перебуваючи у посудині об'ємом 2 м³, чи­нять тиск 3·10⁵ Па? (Відповідь: 6·10^–20 Дж.)

№ 2. ( Зб. Гладкова № 2.21)

Знайти середню квадратичну швидкість молекул газу, що має густину 1,8 кг/м³, якщо його тиск дорівнює 152 кПа. (Відповідь: 500м/с)

Достатній рівень:

№ 3. ( Зб. Гладкова № 2.25)

Визначити тиск, при якому 1 м³ газу при температурі 60°С містить 2,4·10²⁶ молекул. (Відповідь: 1,1 МПа)

№ 4. ( Зб. Гладкова № 2.26)

При якій температурі 1 см³ газу містить 1,0·10¹⁹ молекул, якщо його тиск дорівнює 10 кПа? (Відповідь: 73 К)

№ 5. Знайти швидкість молекули оксигену, який знаходиться при н/у.

Високий рівень (індивідуальне завдання): ( Зб. Гладкова № 2.22)

Середня квадратична швидкість молекул ацетилену (С₂Н₂), що знаходиться в закритому балоні становить 500м/с. Його густина дорівнює 18 кг/м³. Знайти енергію руху однієї молекули та сумарну енергію всіх молекул. Яким є тиск газу, якщо його маса 7,2 кг. (Відповідь: 5,4∙10^–21Дж; 9∙10⁵Дж; 1,5 МПа)

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 44 № 280

№ 280

Який тиск на стінки посудини чинять молекули газу, якщо його маса 3 г, об’єм 0,5 л, а ? (Відповідь: 5∙10⁵ Па)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 15

Тема: Рівняння Мендєлєєва-Клапейрона. Ізопроцеси. Газові закони. 

Мета заняття:  

•    перевірити знання учнів по темі «Основні положення МКТ. Взаємодія атомів і молекул речовини. Температура»;
•    вивести залежність між макроскопічними параметрами (Р, V, Т), що характеризують стан газу.

Структура заняття.

1.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Рівняння стану.

Величинами, що визначають стан газу, є: тиск р, під яким перебуває газ, його температура Т та об'єм V, який займає певна маса газу. Їх називають параметрами стану. Перелічені три ве­личини не є незалежними: кожна з них є функцією двох інших. Рівнян­ня, що пов'язує всі три параметри – тиск, об'єм і температуру газу для даної його маси, називається рівнянням стану.

Як відомо, . З урахуванням того, що , маємо: . Це рівняння, у якому задіяні усі три параметри стану, і є рівнян­ням стану ідеального газу.

Оскільки , , то . 

Добуток універсальних констант, очевидно, є  універсальною газовою сталою. Тоді . Подане в такому вигляді рівняння стану ідеального газу називається рівнянням Менделєєва–Клапейрона.

Рівняння Клапейрона.

Основний зміст рівняння стану ідеального газу можна виразити в такий спосіб:

 .

Якщо індексом 1 позначити параметри, що належать до першого ста­ну, а індексом 2 – до другого, то для даної маси газу маємо: . Рівняння стану в такій формі називається рівнянням Клапейрона.

Робота газу при ізобарному розширенню визначається формулою:       A=p·∆V

Рівняння стану ідеального газу дозволяє описати, що відбувається з газом за будь-яких змін усіх його параметрів. Однак, багато процесів у газах, що відбуваються в природі або здійснюються за участі техніки, припустимо розглядати (приблизно) як процеси, в яких один з макропараметрів  залишається незмінним.

Ізопроцесами називаються процеси, що протікають у системі з не­змінною масою за сталого значення одного з параметрів стану системи.

Ізопроцеси.

1. Ізотермічний процес – процес, що відбувається при незмінній темпе­ратурі.

Запишемо рівняння Клапейрона: . Оскільки температура не змінюється, то Т₁=Т₂. Тоді р₁V₁=p₂V₂, або . Це співвідношення було виявлено експериментально в другій поло­вині XVII ст. англійським ученим Р. Бойлем і французьким ученим Е. Маріоттом, тому його називають законом Бойля — Маріотта.

!! Для даної маси газу до­буток тиску газу на його об'єм залишається незмінним якщо температура не змінюється.

Графік залежності р(V) при Т = const називають ізотермою.

2. Ізобарний процес - процес, що відбувається при незмінному тиску. 

З рівняння Клапейрона дістаємо: . Оскільки  р₁=р₂, то   – закон Гей-Люссака (на честь французького вченого, що відкрив його експериментально у 1802 році.)

!! Для даної маси газу відношення об'єму газу до абсо­лютної температури залишається незмінним при незмінному тиску.

Графік залежності V (Т) при р = const називають ізобарою (рис. 2).

3. Ізохорний процес – процес, що відбувається при незмінному об’ємі.

Запишемо рівняння Клапейрона: . Оскільки об’єм не змінюється, тобто, V₁=V₂, то   – закон Шарля

!! Для даної маси газу відношення тиску газу до абсолютної температури залишаєть­ся незмінним, якщо об'єм не змінюється.

Графік залежності р(Т) при V = const називають ізохорою (рис. 3).

2.   Розв’язання задач.

№ 1. (Зб. Гельфгат № 2.34)

Газ, що знаходиться під тиском 972 кПа, при температурі 47°С займає об’єм 800 л. Яким стане тиск тієї ж самої маси газу, якщо при температурі 285 К він займатиме об’єм 855 л. (Відповідь: 810 кПа)

№ 2. (Зб. Гельфгат № 2.37)

Деяка маса газу при тиску 126 кПа і температурі 295 К займає об’єм 500 л. Знайти об’єм цього газу за нормальних умов. (Відповідь: 576 л.)

№ 3. (а, б)

Охарактеризувати процеси, що відбуваються з ідеальним газом. Побудувати графіки в інших координатах:

 

 

 

№ 4.

Визначити кількість речовини в газі, якщо при температурі   –13 °С і тиску 500 кПа, об’єм газу дорівнює 30 л (Відповідь: 6,9 моль)

3.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Фізика 10 кл. В. Д. Сиротюк: § 46

№ 289. Знайти масу водню, який знаходиться в балоні ємністю 20 л під тиском 8,3·10⁵ Па при температурі 17 °С. (Відповідь: 0,014 кг)

Задача: (Зб. Гладкова № 2.47)

Знайти густину вуглекислого газу, який знаходиться під тиском 93,3 кПа при температурі 250 К. (Відповідь: 2 кг/м³)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 16

Мета заняття:

• узагальнити й поглибити знання учнів про випаровування й конденсацію;
• вивчити залежність температури кипіння рідини від тиску;
• ввести поняття абсолютної та відносної вологості;
• навчити студентів вимірювати відносну вологість повітря різними способами:  за допомогою психрометра і по точці роси;
• розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття

1.   Актуалізація опорних знань.

Фронтальна бесіда:

• Назвіть три агрегатних стани речовини. Охарактеризуйте кожен стан з точки зору МКТ.
• Що називається пароутворенням, конденсацією?
• Які Ви знаєте види пароутворення?
• Від чого залежить швидкість випаровування?

 Конспект І частина:

Пароутворення – процес перетворення рідини на пару.

При нагріванні внутрішня енергія та швидкість руху молекул збільшуються.

Під час пароутворення  вилітають молекули з найбільшою кінетичною енергією, внаслідок чого внутрішня енергія рідини зменшується, тобто рідина охолоджується.

Процес, протилежний пароутворенню, тобто перетворення пари на рідину, називається конденсацією.

Пароутворення буває двох видів: випаровування та кипіння.

  Конспект ІІ частина:

Випаровування – це пароутворення, яке відбувається лише з вільної поверхні рідини, що межує з газоподібним станом.

Швидкість випаровування залежить від:

1) роду рідини;

2) площі вільної поверхні;

3) температури рідини;

4) наявності над поверхнею вітру (тиску над рідиною).

Випаровування може відбуватися за будь-якої температури: рідина поступово «випаровується» з будь-якої відкри­тої посудини.

2.   Засвоєння нових знань.

Насичена й ненасичена пара.

Якщо процес випаровування відбу­вається в закритій посудині, то через деякий час кількість рідини в посудині перестає зменшуватися, хоча швидкі молекули продовжують переходити в пару. Це відбувається тому, що одночасно з випаровуван­ням у посудині відбувається конденсація.

Якщо рівень рідини не змінюється, це означає, що обидва процеси йдуть із однаковою швидкістю, тобто за кожну секунду рідину залишає в середньому стільки ж молекул, скільки їх переходить із пари в ріди­ну. У такому випадку говорять, що рідина й пара перебувають в ди­намічній рівновазі. Такий стан являє собою тільки уявний спокій: на­приклад, за кімнатної температури кожний квадратний сантиметр по­верхні води щомиті «прострілюють» в обох напрямах 10²² молекул, що летять із швидкостями артилерійських снарядів.

 Пара, що перебуває в динамічній рівновазі зі своєю рідиною, нази­вається насиченою.

Саме така пара міститься над поверхнею рідини в закритій посудині.

Якщо процес випаровування йде швидше, ніж процес конденсації, го­ворять, що над рідиною міститься ненасичена пара.

Тиск пари р₀, за якого рідина перебуває в рівновазі зі своєю парою, називається тиском насиченої пари.

Тиск насиченої пари – це унікальна характеристика будь-якої речовини. По цьому тиску можна дослідним шляхом розпізнати невідомий газ.

Тиск та густина насиченої пари залежить тільки від її хімічного складу та температури й не залежить від величини об'єму, який вона займає.

Залежність тиску насиченої пари від температури

Графік залежності р(Т) насиченої пари відрізняється від графіку залежності ідеального газу і не є прямою пропорційністю. Це пояснюється тим, що при збільшенні температури росте не тільки швидкість руху молекул, а й їх концентрація.

Кипіння – особливий вид випаровування.

У разі досягнення ріди­ною певної температури, яку називають температурою кипіння, утво­рення пари починається не тільки з вільної поверхні, але й усередині рідини.

  Кипіння – процес пароутворення, що відбувається з усього об’єму рідини.

Усередині рідини виникають, ростуть і піднімаються на повер­хню бульбашки повітря з парою, що міститься в них. Рідина ніколи не буває фізично однорідною. У ній завжди є бульбашки газів або повітря. Крім того, по­верхня стінок посудини має властивість утримувати молекули повітря, які ніби прилипають до неї.

Газ, зв'язаний із поверхнею твердого тіла, називається адсорбованим. Розчинене в рідині повітря, адсорбований газ, а також різні неодно­рідності є центрами пароутворення.

Залежність температури кипіння рідини від тиску.

Залежність тиску насиченої пари від температури пояснює, чому температура кипіння ріди­ни залежить від тиску на її поверхні. Бульбашка пари може рости, коли тиск насиченої пари всередині неї трохи перевищує тиск в рідині, який складається з тиску повітря на поверхні рідини (зовнішній тиск) і гідро­статичного тиску стовпа рідини:                                                                      

 Кипіння починається за температури, при якій тиск насиченої пари в бульбашках стає рівним тиску в рідині, або атмосферному тиску.

Чим більший зовнішній тиск, тим вища температура кипіння. І нав­паки.

Для ілюстрації залежності температури кипіння води від тиску можна навести таку таблицю:              

Тиск, кПа	0,6	7,2	70,1	101	490	1560	9810
Температура кипіння, °С	0	40	90	100	151	200	310

Робота з таблицею «Залежність тиску і густини насиченої водяної пари від температури».

Питання по таблиці:

1. Знайти тиск насиченої пари при 5 °С,  – 5 °С? (відповідь: до 0,880 кПа; до 0,401 кПа)
2. Знайти густину насиченої пари при  11 °С. (відповідь: 10×10^–3 кг/м³)
3. Де вода, що кипить матиме найбільшу та найменшу температуру: на рівні моря, високо в горах, в глибокій шахті? (відповідь: найбільшу – шахті, найменшу – в горах)
4. До якого значення треба знизити тиск, щоб вода кипіла за температури 80 °С? (відповідь: р₀ ≈47,33 кПа)
5. При якому тиску вода буде кипіти при 19 °С? (відповідь: р₀ ≈2,2 кПа)
6. Тиск водяної пари при 14°С склав 1 кПа.  Чи була ця пара насиченою? (відповідь: ні, бо при  14°С  р₀ =1,6 кПа; пара стане насиченою при 7°С)
7. Чи може густина водяної пари при 20 °С становити 18×10^–3 кг/м³? (відповідь: ні, бо це вже буде перенасичена пара)
8. Ввечері густина водяної пари дорівнювала 9,4 г/м³, вночі температура повітря понизилася до 11°С. Чи була ранком роса? (відповідь: ні, роса була б при 10°С)

 

Застосування процесу кипіння в техніці. Процес кипіння за підви­щеного тиску використовується в парових казанах і парових акумуля­торах, а також в медицині для стерилізації хірургічних інструментів і перев'язувальних матеріалів, в автоклавах. Кипіння за зниженого тис­ку застосовується для отримання наднизьких температур.

Вологість повітря. Точка роси.

Проблемні питання:

•              Чи є водяна пара в повітрі в даний момент насиченою?
•              Чому, якщо на вулиці температура значно нижче, ніж у кімнаті й у кімнаті багато людей, на вікнах починають конденсуватися крапельки води?

Висновок: якщо температуру ненасиченої пари понизити до визначеного значення, пара стає насиченою і може з'явитися  туман або випасти роса.

Ця температура називається точкою роси.

Точка роси – це температура, при якій ненасичена пара стає насиченою.

Питання студентам:

З поняттям вологості ми зіштовхуємося в житті. Де? Як би ви визначили вологість?                                   

Вологість – це вміст водяної пари в повітрі.

Абсолютна вологість – дорівнює густині водяної пари, що знаходиться в атмосфері:                                                                                                     

Але! знаючи ρ_абс, не можна визначити наскільки сухе чи вологе повітря, тому що при більш низьких температурах дана кількість пари може бути близькою до насичення, а при більш високих температурах – ні.

Для того щоб судити про ступінь вологості повітря, треба знати, наскільки водяна пара, що знаходиться в атмосфері, близька до стану насичення.

Для цього ввели поняття відносної вологості.

Відносна вологість – дорівнює відношенню абсолютної вологості пари при даній температурі до густини насиченої пари при тій же самій температурі: ; або

Прилади для вимірювання відносної вологості повітря:

1 – Конденсаційний гігрометр

2 – Психрометр

3 – Волосний гігрометр

4 – Гігрометр

5 – Вологовимірювач, або вимірювач вологості

Вивчення будови і принципу дії психрометра (Підруч.Є.В. Коршак, О.І.Ляшенко, В.Ф. Савченко Фізика 10 клас. – с. 156)

Ознайомитись з текстом та відповісти на питання:

1. З чого складається психрометр?
2. Принцип дії психрометра.
3. Чи може вологий термометр показувати температуру більшу, ніж показує сухий?
4. Якщо φ = 100% які будуть показання сухого і вологого термометрів? (Відповідь: рівні)

Робота з психрометричною таблицею.

Завдання:

1. За реальними показниками психрометра виміряти відносну вологість повітря.
2. Показання сухого і вологого термометрів відповідно рівні:       28°С и 21°С .                           

  Знайти φ. (Відповідь: φ=53%)

3. φ₁= 54%. Сухий  термометр показує 16°С. Які показання вологого термометра? (Відповідь: 11°С)

Заповнити таблицю (темні комірки таблиці пусті)   

t сухий	t вологий	φ
10°С	7°С	65 %
22°С	15°С	47 %
30°С	26°С	73 %
27°С	22°С	65 %

3.   Розв’язання задач.

Відео експеримент «Вимірювання відносної вологості повітря за точкою роси». На дошці розв’язуємо задачу: 

При проведенні експерименту отримали дані: температура повітря а кімнаті 25°С, роса з’явилась при  91°C. Визначити відносну вологість повітря.

Дано:                   Рішення:

t = 25 °С               φ,

= 9 °C      

φ – ?                 φ

Відповідь: φ ≈ 38 %

Як відомо, найкомфортнішими умовами для людини є: температура в межах від 20 до 25 °С при відносній вологості повітря в межах від 40 до 60 %.

Задача: В кімнаті об’ємом  66,15 м³ при температурі 16°С знаходиться 620 г водяної пари. Знайдіть  абсолютну та відносну вологість повітря. Чи являються ці умови комфортними для людини?

Дано:                   СІ:               Рішення:                         

V = 66,15 м³                      , ;

m = 620 г          0,62 кг      Знаходимо по таблиці:        

t = 10°С                             ;

φ – ?                                   

Відповідь: ; φ = 68,9 %. Ці умови не являються комфортними.

6.   Підведення підсумків, видача д/з.

• Підруч. для 10 кл. загальноосвіт. навч. закл.: (рівень стандарту)/В.Д. Сиротюк, В.І. Баштовий. – К.: Освіта, 2010 § 47-49 – читати; № 337 – розв’язати (с. 239).
• Знати опорний конспект.
• Творче завдання: підготувати міні-презентацію на одну з тем:

• Явища змочування та незмочування,      Капілярність в природі і техніці.

План заняття № 17

Тема: Внутрішня енергія тіл. Застосування першого закону термодинаміки до ізопроцесів. Рівняння теплового балансу для найпростіших теплових процесів. Адіабатний процес.

Мета заняття: 

•     актуалізувати знання учнів про внутрішню енергію тіла, способи її зміни;
•     установити зв'язок між зміною внутрішньої енергії систе­ми, роботою й кількістю теплоти, переданою системі для кожного з ізопроцесів;
•     вивчити рівняння теплового балансу і розв’язати задачі на його застосування.

Структура заняття.

1.   Актуалізація опорних знань

Фронтальна бесіда:

•     Як ви розумієте поняття “внутрішня енергія тіла”, “кількість теплоти”?

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Термодинаміка – розділ фізики, що вивчає теплові явища. Закони термодинаміки пояснюють різні перетворення енергії.

Внутрішня енергія. Вивчаючи механіку, ми познайомилися з поняттям механічної енергії й знаємо, що механічна енергія – це сума кінетичної енергії, обумовленої рухом тіл, і потенці­альної енергії, обумовленої їхньою взаємодією.

Внутрішня енер­гія (U) – це сума кінетичної енергії хаотичного руху молекул і потенці­альної енергії взаємодії молекул одна з одною.

Способи зміни внутрішньої енергії тіла

 

теплопередача      здійснення роботи 

теплопровідність;  випромінювання;   конвекція

 

??  Дати визначення для кожного процесу, навести приклади.

Кількісну міру зміни внутрішньої енергії в процесі теплопередачі називають кількістю теплоти й позначають Q.

В процесі теплопередачі внутрішня енергія тіла може або збільшуватися, або зменшуватися.

∆U>0 (внутрішня енергія збільшується)	Формула	Питома величина	∆U<0 (внутрішня енергія зменшується)
нагрівання	∆U=Q=cm∆T,	[с]=Дж/кг·К	охолодження
плавлення	∆U=Q=λm	[λ]=Дж/кг	кристалізація
пароутворення	∆U=Q=rm	[r]=Дж/кг	конденсація
Q=qm – згоряння палива                                 [q]=Дж/кг

 

Внутрішня енергія ідеального газу. Як відомо, середня кінетична енергія одного атома ідеального газу визначається виразом:  .

Якщо газ містить N молекул, то їхня загальна енергія: , або для 1 моль цей вираз прийме вигляд: .

Ця енергія називається внутрішньою енергією ідеального газу.

Оскільки для ідеального газу взаємодією молекул нехтують, то потенціальна енергія молекул дорівнює нулю. Тому внутрішня енергія ідеального газу даної маси залежить тільки від температури й не залежить ні від його тиску, ні від об'єму.

Внутрішня енергія багатоатомного газу. Внутрішня енергія багатоамного ідеального газу, як і одноатомного, пропорційна його абсолютній температурі. Багатоатомні молекули не тільки рухаються поступально, але й обертаються. Внутрішня енергія таких газів дорівнює сумі енергій поступального й обертального руху молекул. Тому в загально­му випадку можна записати:  , де і – число ступенів свободи (число незалежних квадратичних змінних, котрим і визначається енергія системи). Так, і = 3 – для од­ноатомних; і = 5 – для двоатомних; і = 6 – для триатомних (і біль­ше) газів.

Якщо газ ізобарно змінює свій об’єм, то виконується робота: A=p·∆V.

Перший закон термодинаміки

Перший закон термодинаміки – це за­кон збереження енергії, розповсюджений на теплові явища. Енергія в природі не виникає з нічо­го й нікуди не зникає, вона лише переходить з однієї форми в іншу.

Цей фундаментальний закон природи набув логічної форми першого закону термодинаміки: зміна внутрішньої енергії системи у разі переходу з одного стану в інший дорівнює сумі роботи зовнішніх сил і кількості теплоти, переданої системі:

∆U=Q+A'

Перший закон термодинаміки записують часто в іншому вигляді, оскільки на практиці основний інтерес являє не робота А' зовнішніх сил, здійснена над газом, а робота А, здійснена газом над зовнішніми тіла­ми. Очевидно, А'= – А. Крім того, шуканою величиною часто є кількість теплоти Q. Якщо газ сам здійснює роботу внаслідок тепло­передачі, то перший закон термодинаміки має вигляд: кількість теп­лоти, передана системі, витрачається на зміну внутрішньої енергії й здійснення системою роботи над зовнішніми тілами:

∆U=Q – A   або:  Q=∆U+A

Зауваження: величини, які входять у ці формули, мо­жуть мати як знак «+», так і «–». Наприклад, Q > 0, якщо система здобуває енергію шляхом теплообміну; Q < 0, якщо система віддає енер­гію  цим же способом.

Застосування першого закону до ізопроцесів.

Ізотермічний процес. Під час ізотермічного процесу (Т = сопst) зміна температури ∆t = 0, тому внутрішня енергія ідеального газу не міняється  (∆U=0). Таким чином, з виразу першого закону термодинаміки Q=∆U+A отримаємо: Q=A:

під час ізотермічного процесу вся підведена кількість теплоти витра­чається на роботу, здійснену газом проти зовнішнього тиску.

Ізохорний процес. Під час ізохорного процесу об'єм газу не змінюється (V = сопst) і тому робота газу дорівнює нулю (∆V=0, A=p·∆V=0).

Таким чином, з виразу першого закону термодинаміки Q=∆U+A отримаємо: Q=∆U:

під час ізохорного процесу внутрішня енергія змінюється тільки внас­лідок теплообміну.

Причому збільшення тиску вимагає припливу теплоти, зменшення тиску – віддачі теплоти.

Ізобарний процес. p = сопst. Перший закон термодинаміки залишається без зміни: Q=∆U+A, де А=p·∆V. У разі ізобарного процесу кількість теплоти, підведеної до газу, витрачається на збільшення внутрішньої енергії й на роботу розширення, яку здійснює газ проти зовнішнього тиску:

Адіабатний процес. Під час цього процесу не відбувається тепло­обміну між газом і навколишнім середовищем. Тому Q = 0. Перший закон термодинаміки Q=∆U+A приймає вигляд 0=∆U+A, або ∆U = – A.

За умов відсутності теплообміну газу із зовнішнім середовищем робота, яку здійснює газ проти зовнішніх сил, відбувається за раху­нок зменшення його внутрішньої енергії.

Приклади застосування та проявів адіабатного процесу:

Під час адіабатного стискання температура газу підвищується, а в разі адіабатного розширення – знижується. Якщо стискання газу відбувається дуже швидко, то температура значно підвищується. На цьому принципі заснована дія двигунів Дизеля: температура повітря за швидкого стискання в циліндрі стає настільки високою, що пальне за­горяється без системи запалювання.

Охолодженням газу під час адіабатного розширення пояснюється ут­ворення хмар.

3.   Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до учнів:

•                 Що таке внутрішня енергія?
•                 Назвіть два способи зміни внутрішньої енергії.
•                 Чим відрізняється внутрішня енергія ідеального й реального газів?
•                 Назвіть формули для визначення внутрішньої енергії одноатомного, двохатомного газу.
•                 Чи можна визначити внутрішню енергію 1 моль кисню, викорис­товуючи формулу внутрішньої енергії одноатомного ідеального газу? Відповідь обґрунтуйте.
•                 Що відбудеться з кінетичною енергією вагона, який рухається, під час його зупинки?

 

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.

У балоні міститься аргон масою 2 кг за температури 20 °С. Чому дорівнює внутрішня енергія газу? (Відповідь: 183 кДж.)

№ 2.

У процесі ізобарного розширення газу була здійснена робота, що до­рівнює 400 Дж. За якого тиску відбувався процес, якщо об'єм газу змінився з 0,3 м³ до 600 л? (Відповідь: 1,33 кПа.)

№ 3. Гончаренко Впр 14 № 4.

Газові, який знаходиться в циліндрі з рухомим поршнем, під час його нагрівання була передана кількість теплоти Q = 100 Дж. При цьому газ, розширюючись, виконав роботу А = 700 Дж. Чому дорівнює зміна внутрішньої енергії газу?

Достатній рівень:

№ 4. Гончаренко Впр 14 № 5.

Одноатомний газ кількістю 2 моль знаходиться в циліндрі з рухомим поршнем під атмосферним тиском. У процесі нагрівання температура підвищилась від 20°С до 70°С, а об’єм зріс на ∆V = 40 л. Яку кількість теплоти було надано газові?

№ 5. Гончаренко Впр. 10 № 1

У латунний калориметр масою 128г, який містить воду масою 240г за температури 8,4°С, опустили металеве тіло масою 380г, нагріте до температури 21,5°С. Визначте питому теплоємність речовини металевого тіла.

 

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Сиротюк В. Д. Фізика: 10 клас: § 57 – 59 № 376, 379 (с. 264)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 18

Вид заняття:  комбіноване

Тема: Необоротність теплових та інших процесів. ІІ закон термодинаміки. Принцип дії теплових машин. ККД теплової машини.

Мета заняття: – перевірити знання учнями першого закону термодинаміки;

•     закріпити розуміння учнями вивченого матеріалу;
•     дати поняття оборотних і необоротних процесів і, як наслідок цього, сформулювати другий закон термодинаміки;
•     розкрити фізичні принципи дії теплових двигунів;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності на застосування законів термодинаміки.

Структура заняття.

 

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Фронтальне опитування:

Дайте словесне формулювання першому законові термодинаміки, записаному у вигляді:

•     ∆U=Q – A
•     Q=∆U + A
•     ∆U=Q + A'

Який процес називається адіабатним?

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Оборотні й необоротні процеси.

Механічні процеси часто практично оборотні, тобто можуть протікати в обох напрямках у часі. Вдалим прикладом оборотного процесу є коливання вантажу на нитці або пружині, коли амплітуда коливань практично не змінюється. Якщо зняти цей процес на кіноплівку й під час перегляду крутити «кіно навпаки», глядачі не помітять «обернення часу» і будуть вважати, що спостерігають реальний процес.

Однак далеко не всі механічні процеси оборотні. Наприклад, якщо штовхнути брусок, що лежить на столі, то він якийсь час буде рухати ся, а потім зупиниться. Цей процес необоротний, тобто він може про тікати тільки в одному напрямку в часі. У даному випадку «кіно навпаки» буде схоже на чудо: брусок, який лежить на столі, раптом сам собою зрушиться з місця й почне ковзати по столу, набираючи швидкість.

Чому ж такого насправді не буває? Може, таке поводження бруска суперечить законові збереження енергії: звідки брусок діставав би енергію для розгону? Покажемо, що закон збереження енергії в та кому уявлюваному процесі не порушується. Якщо вимірювати в ході процесу температури бруска й столу, ми побачимо, що у разі «справжнього» руху брусок зупинився, але температури бруска й столу трохи збільшилися, тобто внаслідок тертя механічна енергія перейшла у внутрішню. А що буде в «кіно навпаки»? Брусок, що лежить на столі, починає рухатися й рухається зі швидкістю, що збільшується, та при цьому температури столу й бруска зменшуються. Тому в такому уявлюваному процесі протиріччя із законом збереження енергії немає: внутрішня енергія переходить у механічну, й повна енергія зберігається.

Приклад необоротного процесу в теплових явищах – теплопередача. Якщо привести в контакт два тіла з різною температурою, їхні температури почнуть вирівнюватися. Ніхто й ніколи не спостерігав, щоб під час теплопередачі гаряче тіло ставало б ще більш гарячим, а холодно остигало до більш низької температури. Але ж під час такого нереального процесу закон збереження енергії теж не порушується: адже сумарна внутрішня енергія обох тіл залишається незмінною.

Висновок: закон збереження енергії (перший закон термодинаміки) не визначає напрямку процесу в часі.

• Робота з підр. Гончаренко: § 38

Дати визначення оборотного та необоротного процесів.

Другий закон термодинаміки.

Закон, що визначає напрямок процесів у часі, називається другим законом термодинаміки й вперше був сформульований Карно.

Немож­ливим є процес, єдиним результатом якого було б передавання тепло­ти від холодного тіла до гарячого.

Очевидним наслідком другого закону термодинаміки є те, що під час теплопередачі теплота завжди переходить від гарячого тіла до холодно­го. А от менш очевидний, та не менш важливий наслідок: механічна робота не може відбуватися за рахунок охолодження найбільш холодного тіла системи

Двигун, що міг би працювати тільки за рахунок охолодження холодного тіла, називають «вічним двигуном другого роду». Якби такий двигун можна було побудувати, це розв'язало б усі енергетичні проблеми людства. Досить було б охолоджувати воду Світового океану. Однак, як ми бачимо, другий закон термодинаміки стверджує, що такий двигун неможливий (хоча його існування й не суперечить законові збережен­ня енергії).

Принцип роботи теплових двигунів

Машини, що перетворюють внутрішню енергію палива на механічну, називаються тепловими двигунами.

Будь-яка теплова машина має:

1.   Нагрівник.
2.   Робоче тіло (газ або пара).
3.   Холодильник (навколишнє середовище або спеціальний пристрій)

Діставши під час роз­ширення від тіла з температурою Т₁ (нагрівник) деяку кількість теп­лоти Q₁  газ неодмінно віддає під час стискання кількість теплоти Q₂ тілу з більш низькою температурою Т₂ (холодильник). Отже, на роботу перетвориться тільки частина кількості теплоти  отриманої від нагрівника, яка дорівнює  A=Q₁ – Q₂.

 

 

Коефіцієнт корисної дії (ККД) теплового двигуна.

Коефіцієнтом корисної дії η  теплового двигуна називається відношення роботи А, здійсненої двигуном, до кількості теплоти , отриманої від на­грівника: .

З того, що A=Q₁ – Q₂, випливає:  , або: .

Задача 1. підр. Гончаренко Впр. 15 № 1.

Ідеальний тепловий двигун дістає від нагрівника щосекунди Q₁=3,6·10⁴ Дж, і за той самий час віддає холодильнику Q₂=3,2·10⁴ Дж. Який ККД та потужність двигуна? (Відповідь: 11%; 4 кВт)

Цикл Карно.

Французький інженер Саді Карно з'ясував, за яких умов ККД буде максимальним. Він придумав ідеальну теплову машину, де робоче тіло – ідеальний газ. ККД такого двигуна визначається виразом: . Карно довів, що ідеальна теплова машина має максимально можливий ККД.

• Робота з підр. Гончаренко § 39, мал. 75.

Намалювати графік процесу, що зображує Цикл Карно. За графіком розібрати кожну ділянку.

1-2 – ізотермічне розширення. Газ виконує роботу А₁.

2-3 – адіабатне розширення. Газ продовжує розширюватися і виконує роботу А₂ за рахунок своєї внутрішньої енергії.

3-4 – ізотермічне стискання. Зовнішні сили виконують над газом роботу А₃<0. Газ віддає холодильнику теплоту Q₂=A₃.

4-1 – адіабатне стискання. Газ повертається в початковий стан і його внутрішня енергія збільшується.

• Робота з підручником: підр. Сиротюк: с.263 – оформити задачі

3.   Узагальнення та систематизація знань.

Узагальнюючі запитання до учнів:

• Наведіть приклади оборотних процесів.
• Наведіть приклади необоротних процесів.
• Якби ріки потекли назад, чи означало б це порушення закону збе­реження енергії?
• Які шляхи підвищення ККД теплових двигунів?

4.   Розв’язання задач.

Задача 2. (підр. Гончаренко.  впр. 15 №  3)

Температура нагрівника 520 °С, а холодильника 20 °С. Яку роботу виконала машина, діставши від нагрівника кількість теплоти, яка дорівнює Q=10⁷ Дж. Вважати машину ідеальною.

 

Задача 3. (Зб. Гладкова № 3.22)

В нагрівнику з ККД 36% необхідно нагріти 12л води від 18 до 100°С. Скільки гасу для цього треба спалити? (Відповідь: 270г)

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Сиротюк В. Д. Фізика: 10 клас: § 61 № 411, 414 (с.266)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 19

Тема: Види електричних зарядів, їх взаємодія.  Закон збереження електричного заряду. Закон Кулона. Електричне поле. Напруженість електричного поля. Потенціал.

Мета заняття:

• актуалізувати знання учнів про електризацію тіл;

•     продемонструвати досліди, що підтверджують існування зарядів 2-х видів, дискретність заряду, склад та будову атому;
•     ввести поняття елементарного заряду;
•     вивчити закон Кулона та закон збереження заряду;  
•     розкрити матеріальний характер електричного поля;
•     дати поняття напруженості електричного поля;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Актуалізація опорних знань

Фронтальна бесіда:

Перше електричне явище, яке було відомо ще в V ст. до н. е., – це здатність янтарю, натертого хутром, притягувати до себе маленькі тіла. Грецькою мовою “янтар” – електрон.

?? Чи доводилося вам у повсякденному житті спостерігати явища, зумовлені електризацією тіл?

Як перевірити, що під час зіткнення електризуються обидва тіла?

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Електродинаміка – розділ фізики, що вивчає електромагнітні взаємодії.

Електростатика вивчає взаємодії нерухомих зарядів.

Демонстрація 1:

• Виявлення електричного поля зарядженої кулі за допо­могою зарядженої гільзи
• Відхилення стрілки електроскопу при внесенні зарядів різних знаків
• Електризація тіл тертям і впливом
• Взаємодія наелектризованих тіл
• Досліди з султанами, встановленими на ізолюючих шта­тивах

Висновки:

• Для електризації тіла необхідно, щоб на ньому був створений надли­шок або нестача електричних зарядів того чи іншого знака. Електриза­ція здійснюється різними способами, найпростішим із яких є електри­зація зіткненням (тертям).
• Під час взаємодії заряди не виникають, а відбувається лише їхній перерозподіл.
• В природі існують заряди двох видів: “+” і “ –”; вибір знака заряду умовний. Однойменні заряди відштовхуються, різнойменні – притягаються.

Заряд, розміщений на тілі, розміри якого малі в порівнянні з відста­нями до інших тіл, з якими воно взаємодіє, називається точковим за­рядом.                 [q]=1Кл

Демонстрація 2:

• Ділимість заряду на частини.

Висновки:

• Заряд можна поділити на частини, але існує межа ділимості.
• Електричний заряд не існує сам по собі.
• Елементарні частинки мають найменший можливий електричний за­ряд:  .
• Частинка може й не мати заряду, але носієм заряду може бути тільки частинка; заряди елементарних частинок можуть відрізнятися знаками, модуль же зарядів однаковий.

?? Використовуючи таблиці (схеми), пригадати будову атому на прикладі атомів Гідрогену, Гелію та ін.

• Яка будова атому?
• Які частинки входять в склад ядра?
• Як визначити кількість електронів, протонів, нейтронів в атомі?
• Який знак заряду має ядро, атом в цілому?
• Як утворюється позитивний (негативний) йон?

Закон збереження заряду.

В ізольованій системі алгебраї­чна сума зарядів усіх частинок залишається сталою:

q₁+q₂+…+q_n=const

Задачі, розв'язувані під час викладання нового матеріалу:

• Доторкнувшись позитивно зарядженою скляною паличкою до сталевої кульки, ми передаємо їй позитивний заряд. Які елементарні час­тинки й куди при цьому переміщуються?
• Якщо піднести на нитці заряджену станіолеву гільзу до незарядженої, то вони спочатку притягнуться одна до одної, а після дотику відштовхуватимуться. Поясніть явище.
• До двох заряджених кульок, які висять на нитках, підносять знизу позитивно заряджену пластинку (див. рис.). У результаті положення кульок змінюються (на рисунку пунктирними лініями показані по­чаткові напрями ниток). Яким є знак заряду кожної з кульок?
• Як за допомогою кулі, не зменшуючи позитивного заряду, що розташований на ній, наелектризувати дві інші, добре провідні кулі: одну – негативно, іншу –позитивно?

Закон Кулона.

Основний закон електростатики був установлений експериментально Шарлем Кулоном 1785 року.

•    Робота з підручником: Гончаренко, стор. 146, мал. 89: Описати:
  • обладнання досліду (крутильні терези);
  • проведення досліду (в тому числі – умови проведення);
  • висновки.

Закон Кулона: сила взаємодії двох точкових нерухомих заряджених тіл у вакуумі прямо пропорційна добутку модулів зарядів і обернено пропорційна квад­рату відстані між ними: .

ε₀=8,85·10^–12 Кл²/(Н·м²) – електрична стала.

Коефіцієнт  .

– діелектрична проникність середовища. Це безрозмірна величина, що показує в скільки разів сила електричної взаємодії в вакуумі більша,  ніж в середовищі.

Якісні задачі (усно).

№ 1. Як зміниться сила кулонівської взаємодії двох точкових зарядів у разі збільшення кожного заряду в 3 рази, якщо відстань між ними зменшити у 2 рази?

№ 2. Дві однакові металеві кулі заряджені рівними за модулем, але різнойменними зарядами. Кульки привели в зіткнення й розвели на колишню відстань. У скільки разів змінилася сила взаємодії?

Електричне поле.

Електричне поле – це вид матерії, за допомогою якої здійснюєть­ся електрична взаємодія заряджених тіл. Воно оточує будь-яке заря­джене тіло й виявляє себе дією на заряджені тіла.

Розрізняють два основні види електричних полів: електростатичне й вихрове (індукційне).

Електростатичне поле – це електричне поле, яке існує навколо нерухомих у даній системі відліку тіл або частинок, що мають елек­тричний заряд.

Отже, головна властивість електричного поля полягає в його здатності діяти на електричні заряди з деякою силою. Ця здатність електрично­го поля діяти на заряд із деякою силою дозволяє ввести кількісну ха­рактеристику електричного поля.

Напруженість електричного поля.

Якщо по черзі поміщати в одну й ту саму точку поля невеликі заряджені тіла й вимірювати сили, що діють на них із боку поля, то виявиться, що ці сили прямо пропорційні величинам зарядів. Відношення сили до заряду  залишається сталим, не залежить від модуля заряду й характеризує тільки електричне поле в тій точці, де розташований заряд. Ця характеристика називається напруженістю електричного поля.

Напруженістю електричного поля в даній його точці називається векторна фізична величина, що чисельно дорівнює відношенню сили, з якою поле діє на точковий заряд, поміщений у цю точку, до значен­ня цього заряду: .

Напруженість поля в одиницях СІ виражається в ньютонах на кулон:  [ E ] = Н/Кл

Сила, яка діє на заряд з боку електричного поля, дорівнює: .

Знайдемо напруженість електричного поля, створюваного точковим зарядом q₀ на відстані r від нього:

, , .

Графічне зображення електричних полів.

Лінією напруженості називається безперервна лінія, дотична до якої в кожній точці збігається за напрямом із вектором напруженості.

Лінії напруженості не перетинаються.

Для електростатичного поля лінії починаються на позитивних за­рядах і закінчуються на негативних.

Силові лінії зображуються так, що щільність ліній пропорційна зна­ченню напруженості електричного поля.

За напрям напруженості поля приймають напрям сили, що діє на позитивний заряд.

Лінії напруженості лише допо­магають наочно уявити розподіл поля в просторі та є не більш реаль­ними, ніж меридіани й паралелі на земній кулі.

Приклади силових ліній різних електричних полів:

1)  2)  3)

 

4)      5)

Всередині між пластинами поле однорідне, тобто його напруженість в будь-якій точці однакова.

3.   Розв’язання задач.

Достатній рівень:

Задача (№ 9.11 Гладкова)

Провідну кулю, що має заряд –4,8·10^–11Кл, зіткнули з точно такою незарядженою кулею. Скільки зайвих електронів залишилось після цього на кулі? Який заряд перейшов на другу кулю? Чому дорівнює сила електричної взаємодії, якщо кулі розмістити в вакуумі на відстані 2,4 см?

(Відповідь: 1,5·10⁸ електронів; –2,4·10^–11 Кл; 9·10^–9 Н)

Гончаренко: Впр. 16 № 2.

З якою силою взаємодіють два точкові заряди = 0,66·10^–7 Кл і 1,1·10^–5 Кл у воді на відстані 3,3см? На якій відстані їх слід помістити в вакуумі, щоб сила взаємодії залишилася попередньою? Для води ε = 81

Дано:                            Розв’язок

q₁ = 0,66·10^–7 Кл          ;  F₁=0,074Н – в воді.

q₂ = 1,1·10^–5 Кл  , →     ε₁·r₁²₌ ε₂·r₂²,

r₁ = 3,3·10^–2 м           ,

ε₁ = 81

ε₂ = 1

F₁= F₂

 

r₂–?, F–?    Відповідь: F₁=0,074Н,  r₂=0,297м

Задача (Зб. 2 № 10.14)

Поле утворено точковим зарядом 1,6·10^–8 Кл. Знайти напруженість поля в точці, розташованій на відстані 6 см від заряду. З якою силою буде діяти це поле на заряд 1,8 нКл, якщо його помістити в ту ж саму точку? (Відповідь: 4·10⁴ Н/Кл; 7,2·10^–5 Н)

4.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика: 11 кл.: § 1–3, 6; впр.1 № 1, впр.3 № 7

впр.1 № 1  Модуль напруженості ел. поля, де перебуває заряд 0,2 мкКл, дорівнює 8 Н/Кл. Яка сила діє на заряд? (Відповідь: 1,6 мкН)

впр.3 № 7 На якій відстані один від одного точкові тіла з зарядами 1 нКл і 3 нКл взаємодіють із силою 9 мН? (Відповідь: 1,7 мм)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 20

Тема: Електроємність. Конденсатор. Види конденсаторів та використання їх у техніці. Енергія електричного поля.

Мета заняття:

•     сформулювати поняття електроємності провідника, ввести одиницю електроємності;
•     продемонструвати різні види конденсаторів, з’ясувати їхнє призначення;
•     вивчити формули ємності плоского конденсатора, ємності батареї конденсаторів;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Питання поточного контролю:

• що називається електричним полем,
• яке поле називається електростатичним,
• що є силовою характеристикою поля,
• чи можуть силові лінії перетинатися,
• сформулювати закон Кулона в вакуумі, в середовищі,
• сформулювати закон збереження заряду.

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Величина, що чисельно дорівнює відношенню , не залежить від величини заряду і називається потенціалом поля в даній точці – φ. Потенціал φ є енергетичною характеристикою поля: .                                           [φ]=Дж/Кл=В

Якщо двом провідникам надати відповідно заряд +q та –q, між ними виникає різниця потенціалів.

Величина, рівна різниці потенціалів, називається електричною напругою:

U = φ₁– φ₂.

Робота електричного поля по переносу заряду q із точки з потенціалом φ₁ в точку з потенціалом φ₂ дорівнює:                             A = ( φ₁– φ₂) · q = U · q

Електроємність – це властивість двох провідників накопичувати заряд відповідно до виникаючої різниці потенціалів: .              [ с ] = Кл/В = Ф

Ємністю відокремленого провідника називають величину, яка дорівнює відношенню заряду, наданого провіднику до його потенціалу:

Ємність сферичного провідника: с=4πε₀R

Конденсатор – два провідника, розділених шаром діелектрика (повітря, слюда, парафін та ін.)

Ці провідники називаються обкладками конденсатора.

 

Види конденсаторів:

За формою: плоскі, сферичні, циліндричні

За типом ємності: постійної ємності, змінної ємності

За типом діелектрика: паперові, слюдяні, керамічні, електролітичні

Найпростішу будову має плоский конденсатор, який складається з двох паралельних пластин, розділених шаром діелектрика. Ємність плоского конденсатора залежить від форми, розмірів конденсатора, типу діелектрика і визначається за формулою: .

В конденсаторі електричне поле практично повністю зосереджено між обкладками. Це поле можна вважати однорідним.

 

На схемі конденсатор позначається так:

 

Для отриманні великих ємностей конденсатори з’єднують в батареї:

1) паралельне з’єднання:   с = с₁ + с₂ + с₃       

2) послідовне з’єднання:  

 

Заряджений конденсатор створює навколо себе електричне поле. Енергія зарядженого конденсатора дорівнює: .               [ W_p ] = Дж

Враховуючи, що , можна вивести формули: , .

Оскільки поле всередині конденсатора однорідне, то для однорідного поля вводять величину об’ємної густини електричного поля – тобто енергії одиниці об’єму: ;              [ w ] = Дж/м_­­³.

3.   Узагальнення та систематизація знань.

Заповнити узагальнюючу таблицю по темі: «Електричне поле»:

Назва	Формула (значення)	Од. вимір. (прим.)
Закон збереження заряду	q1+q2+…+qn=const	[q]=1Кл
Заряд електрона (елементарний)
Закон Кулона
Діелектрична проникність середовища		[ ε ] = 1
Електрична стала	ε0=8,85·10–12 Кл2/(Н·м2)
Абсолютна проникність середовища
Напруженість електричного поля		[ E ]=Н/Кл
Напруженість електричного поля точкового заряду
Потенціал поля в даній точці		[φ]=Дж/Кл=В
Напруга	U = φ1– φ2
Робота ел. поля	A = ( φ1– φ2) · q; А = U · q
Електроємність		[ с ] = Кл/В = Ф
Ємність сферичного провідника	с=4πε0R
Ємність плоского конденсатора
Паралельне з’єднання конденсаторів	с = с1 + с2 + с3
Послідовне  з’єднання конденсаторів
Енергія зарядженого конденсатора	, ,	[ Wp ] = Дж
Густина електричного поля		[ w ] = Дж/м­­3

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1. (Зб. 2 № 9.24)

Дві однакові провідні кульки розташовані в повітрі на відстані 60 см. Їхні заряди відповідно дорівнюють 4·10^–7 Кл і 0,8·10^–7 Кл. Кульки зіткнули, а потім розвели на попередню відстань. Знайти силу їх взаємодії до і після зіткнення.

(Відповідь: 0,8·10^–3Н та 1,4·10^–3Н)

Достатній рівень:

№ 2. (Зб. 2 № 10.10)

Площа пластини слюдяного конденсатора 36 см², товщина шару діелектрика 0,14 см. Обчислити електричну ємність, заряд та енергію зарядженого конденсатора, якщо на його пластини подано різницю потенціалів 300 В, а діелектрична проникність слюди дорівнює 7. (Відповідь: 160 пФ, 48 нКл, 7,2 мкДж)

 

№ 3. (Зб. 2 № 10.35)

Чотири конденсатори, ємності яких С₁=0,30мкФ, С₂=0,60мкФ, С₃=0,20мкФ, С₄=0,30мкФ, з’єднані так,як показано на схемі та заряджені від джерела постійної напруги 200 В. Визначити загальну ємність, заряд та енергію електричного поля батареї конденсаторів. (Відповідь: 0,32 мкФ, 64 мкКл, 6,4 мДж)

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика: 11 кл.: § 8–14; впр. 7 № 2, впр. 9 № 3

впр.7 № 1

Який заряд потрібно надати провіднику, щоб зарядити його до потенціалу 30 В, якщо його електроємність 150 пФ? (Відповідь: 4,5 нКл)

впр. 9 № 3

Плоский конденсатор складається з двох розділених повітряним проміжком пластин площею 100 см²  кожна. З наданням одній з пластин заряду 5 нКл між пластинами виникла різниця потенціалів 120 В. На якій відстані одна від одної розташовані пластини? (Відповідь: 2,1 мм)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 21

Тема: Постійний електричний струм. Електричне коло. Джерела і споживачі електричного струму. Закон Ома для ділянки кола.  Робота і потужність струму. 

Мета заняття:

• актуалізувати та поглибити знання учнів про електричний струм, умови його виникнення, дію, величини, що його характеризують;

•     вивчити закон Ома для двлянки кола;
•     розв’язати задачі на використання закону Ома, обчислення  електричних кіл.

Структура заняття. 

1.   Актуалізація опорних знань

Фронтальна бесіда:

•     що представляє собою електричний струм;
•     які величини характеризують струм, одиниці вимірювання цих величин;
•     які прилади використовують для вимірювання сили струму, напруги

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Умови існування електричного струму:

1.   Наявність в провіднику вільних зарядів.
2.   Існування в провіднику електричного поля, що характеризується різницею потенціалів на кінцях провідника;
3.   Замкнуте електричне коло.

Електричний струм має певний напрям. За напрям електричного стру­му приймається напрям руху позитивно заряджених частинок (від «+» до «–»)

Силою струму називається скалярна величина, яка чисельно дорівнює кількості електрики, що проходить за одиницю часу через площу поперечного перерізу провідника:                                                         [ І ]=А                             Кл = А·с

Постійним струмом, називається електричний струм, сила й на­прям якого не змінюються з часом.

Швидкість впорядкованого руху електронів в провіднику порядку: υ ~ 10^–4 – 10^–5 м/с, а швидкість поширення електричного поля дорівнює 300 000 км/с.

Сила струму в металевому провіднику визначається за формулою:

, де n – концентрація електронів провідності.

Густина струму – векторна величина, модуль якої дорівнює відно­шенню сили струму до площі перерізу провідника, через який прохо­дить електричний струм:

.

Вектор густини струму збігається з напрямом сили струму в про­віднику.

Вперше залежність сили струму від напруги була експериментально здобута 1826 року німецьким ученим Георгом Омом.

Закон Ома для ділянки кола читається так: сила струму в однорідному провіднику пря­мо пропорційна прикладеній напрузі:                            

До формули закону Ома входить напруга, яка визначається роботою електричного поля з переміщення одиниці заряду в даній ділянці кола: → A =  U · q =U I t – робота струму.

Опір провідника. Опір – основна електрична характеристика про­відника. Чим більшим є електричний опір за заданої напруги, тим мен­шою є сила струму в провіднику.

Опір характеризує ступінь протидії провідника напрямленому руху по ньому зарядів.

?? Поясніть з точки зору електронної теорії будови речовини наявність у провіднику електричного опору.

Із закону Ома випливає, що .  Звідки,  [ R ] = В/А = Ом .

  – електричний опір – залежить від геометричних розмірів (l, s) і матеріалу (ρ) провідника.                             [ ρ ] = 1Ом·м, або [ρ] = Ом·мм²/м

 

Послідовне з'єднання провідників	Паралельне з'єднання провідників
Ізаг = і1 = І2 = ...  Uзаг = U1 + U2 + …  Rзаг = R1 + R2 + …	Ізаг = і1 + І2 +… Uзаг = U1 = U2 = …

Закон Джоуля – Ленца

(був установлений експериментально англійським вченим Д. Джоулем і російським вченим Е. X. Ленцем)                                                                     

Кількість теплоти, що виділяється про­відником зі струмом, дорівнює добутку квадрата сили струму на опір провідника й час проходження струму по провіднику:

Q=I²Rt

Потужність струму:   [ Р ] = В ∙ А = Вт

3.   Розв’язання задач.

№ 1. (Зб: 4 № 10.7) 

Для виготовлення реостату опором 126 Ом використали нікелі­новий дріт із площею поперечного перерізу 0,1 мм². Якою є дов­жина дроту? ( ρ_нік= 42·10^–8 Ом·м) (Відповідь: 30 м)

№ 2. (Зб. 3 № 11.10) 

Сила електричного струму в провіднику поперечного перерізу 1,5 мм² дорівнює 0,36 А. Знайти середню швидкість впорядкованого руху електронів, якщо їх концентрація 6,0∙10²⁷ м^–3. (Відповідь: 0,22 мм/с)

№ 3. (Зб. 3 № 11.26) 

Знайти падіння напруги в проводці довжиною 500 м при силі струму 15 А. Проводка виконана алюмінієвим дротом 14мм² в перерізі. (Відповідь: 14,46 В)

№4. (Зб. 3 № 11.26)

П'ять резисторів з'єднані так, як показано на рис. Визначте загальний опір кола, якщо  R₁=1Ом, R₂=1Ом, R₃=10Ом, R₄=8Ом, R₅=1Ом.

(Відповідь: 6 Ом.)

№5. (Зб. 3 № 11.26)

В колі, яке показано на рис, амперметр показує 1,5А. Падіння напруги на першому резисторі U₁=4,2B, опір другого і третього резисторів відповідно R₂=2Oм, R₃=3,2Ом. Знайти опір першого  резистора R₁, загальний опір R, та напругу, що показує вольтметр.

4.   Підведення підсумків, видача д/з.

• Коршак Є.В. Фізика: 11 кл.: § 16–17
• Задача.  
• Алюмінієвий провід, довжиною 194 м намотаний на котушку, має опір 10,5 Ом. Якою є площа його поперечного перерізу, якщо відомо, що питомий опір алюмінію ρ = 2,7·10^–8 Ом·м. (Відповідь: 0,5 мм²)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 22

Тема: Електрорушійна сила джерела електричної енергії. Закон Ома для повного кола.

Мета заняття: 

•     закріпити, поглибити та систематизувати знання учнів з теми «Електричний струм. Закон Ома»;
•     ввести поняття е.р.с. джерела струму;
•     вивчити закон Ома для повного кола;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття. 

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Питання поточного контролю:

•     що називається електричним струмом;
•     за яких умов існує електричний струм;
•     сформулювати закон Ома для ділянки кола;
•     що вимірюють амперметром, вольтметром;
•     як ці прилади приєднують в колі.

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

ЕРС джерела струму.

Для наявності струму в провіднику необхідно, щоб у ньому існувало електричне поле, яке характеризується різницею потенціалів на кінцях провідника φ₁ – φ₂. У цьому випадку вільні заряди, які є в ньому, беруть участь у напрямленому русі. Проте переміщення цих зарядів досить швидко приводить до вирівнювання потенціалів і, отже, до припинення струму. Для тривалого існування струму треба підтримувати сталою різницю потенціалів на кінцях провідника. Це й роблять так звані дже­рела струму.

Для того щоб струм був постійним, необхідно, щоб потенціали φ₁ і φ₂, не змінювалися з часом.  Очевидно, усередині джерела повинні діяти сили, які б за секунду переносили всі електрони, що прийшли на полюс 1, назад, на полюс 2. Причому, природа цих сил повинна бути не електростатичною. Тому назвемо ці сили сторонніми.

Тепер стає зрозумілою роль сторонньої сили в електричному колі: напрямляти електричні заряди проти електростатичних сил, відділяти негативні заряди від позитивних і приєднувати їх до негативних.

Сторонні сили своєю роботою замикають коло й забезпечують постійність струму. Ці сили в різних джерелах мають неоднакове походження. Наприклад, у гальванічних елементах це сили, що виникають у результаті хімічних процесів; в електрофорній машині – це сили  пружності м'язів руки, що обертає диски машини, тощо.

Кожне джерело струму характеризуєть­ся роботою діючих у ньому сторонніх сил із переміщення одиниці позитивного заряду, тобто певною електрорушійною силою (ЕРС).

ЕРС в замкнутому колі називають фізичну величину, яка чисельно дорівнює роботі сторонніх сил із переміщення одиничного позитивного заряду по всьому замкнутому колу: E = ,               [E] =1Дж/1Кл=1В

  ?? Чи може тривалий час існувати електричний струм у колі, якщо на рухомі носії струму діють тільки кулонівські сили?

Задача 1: 

Під час живлення лампочки від елемента з ЕРС 1,5 В сила струму кола дорівнює 0,2 А. Знайдіть роботу сторонніх сил в елементі за 1 хв. (Відповідь: 18Дж.)

 

Робота із переміщення заряду по провіднику в процесі протікання по ньому електричного струму здійснюється й кулонівськими, й сторонніми силами. Повна робота: А=А_ст+А_кул

Закон Ома для повного кола:

Сила струму в повному колі дорівнює підношенню ЕРС джерела до повного опору кола:  І = E / (R+r)

 

Із закону Ома витікає, що:

• Напруга на полюсах замкнутого джерела струму U = E – Ir
• Напруга на полюсах розімкнутого джерела струму U = E
• При короткому замиканні джерела струму I_max= E/r,  тобто джерело дає найбільший струм, коли зовнішній опір прямує до нуля (R→0).

 

Зауваження:

• Якщо коло містить декілька послідовно ввімкнених елементів із ЕРС E₁ E₂ і т. д., то повна ЕРС кола дорівнює алгебраїчній сумі ЕРС ок­ремих елементів: E = E₁ + E₂ +… . Загальний опір кола дорівнює сумі всіх опорів:

R_заг = R + r₁  + r₂ + …

В даному прикладі: E = E₁ + E₂ – E₃, R_заг = R + r₁  + r₂ + r₃.

 

• У разі паралельного з'єднання елементів із однаковою ЕРС електро­рушійна сила батареї дорівнює ЕРС одного елемента, а внутрішній опір вважати рівним r = r₁ / 2. Якщо ЕРС елементів різні, то ЕРС джерела вважається ЕРС найбільшого елементу, а внутрішній опір розраховують за формулою для паралельного з’єднання: .

 

3.   Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до учнів:

• Які сили прийнято називати сторонніми?
• Що називають електрорушійною силою?
• З яких ділянок складається замкнуте електричне коло?
• Від чого залежить знак ЕРС в законі Ома для замкнутого кола?

 

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1. (Зб. 3 № 11.89)

До джерела струму, ЕРС якого 4,5 В, а внутрішній опір 1,5 Ом, приєднали резистор опором 7,5 Ом. Знайти силу струму в колі та падіння напруги всередині джерела. (Відповідь: 0,5 А; 0,75 В)

Достатній рівень:

№ 2. (Зб. 3 № 12.6)

Електрична праска потужністю 800 Вт працює від джерела постійної напруги 220 В. Визначити силу струму в нагрівному елементі праски та її опір в робочому стані. Скільки енергії виділиться за 1,5 години безперервної роботи праски? (Відповідь: 3,6 А; 60 Ом; 1,2 кВт∙год)

№ 3. (Зб. 4 С.р. № 26 дост. 4)

При підключенні до батареї гальванічних елементів резистора з опором 18 Ом сила струму в колі становила 1 А, а при підключенні резистора з опором 8 Ом, сила струму стала 1,8 А. Знайти ЕРС та внутрішній опір батареї. (Відповідь: 18 В; 2 Ом)

№ 4. (Гончаренко: впр. 21 № 4)

Генератор з ЕРС  E = 10 В і внутрішнім опором r = 0,2 Ом з’єднано із зварювальним апаратом, який має опір R₁ = 0,5 Ом. Підвідні провідники мають опір   R₂ = 0,1 Ом. Обчисліть силу струму в колі, напругу на клемах зварювального апарату, силу струму короткого замикання. (Відповідь: I = 12,5 A; U₁ = 6,25 В; I _к.з. =50 А)

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика: 11 кл.: § 18–19; впр. 12 № 1,2

• Скласти узагальнюючу таблицю формул по темі «Постійний електричний струм. Закон Ома»

Величина	Формула	Од. вимір.
Сила струму
Сила струму в металевому провіднику
Густина струму
Робота струму
Закон Ома для ділянки кола
Електричний опір
Закон Джоуля – Ленца
Робота струму
Потужність струму
ЕРС джерела струму
Закон Ома для повного кола

впр. 12 № 1

У замкнутому колі, у якому є джерело ЕРС 12 В, проходить струм 2 А. Напруга на затискачах джерела 10 В. Знайти внутрішній опір джерела та опір навантаження. (Відповідь: 1 Ом; 5 Ом)

впр. 12 № 2

При замиканні джерела струму провідником з опором 10 Ом сила струму в колі дорівнює 1 А, а при замиканні провідником опором 4 Ом сила струму дорівнює 2 А. Знайти ЕРС джерела та його внутрішній опір. (Відповідь: 12 В; 2 Ом)

 

Заняття № 5, 6, 7:

Л.р. № 8. Визначення питомого опору провідника

Л.р. № 9. Визначення ЕРС і внутрішнього опору джерела струму.

Л.р. № 10. Дослідження залежності потужності споживача від наруги на затискачах.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 23

Тема: Електропровідність напівпровідників. Власна та домішко­ва провідності напівпровідників. Напівпровід­нико­вий діод. Напівпровід­никові прилади та їх засто­сування.

Мета заняття:

• вивчити будову напівпровідників;

•     сформувати уявлення про вільні носії електричного заря­ду в напівпровідниках;
•     сформувати уявлення про власну і домішкову провідності напівпровідників;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності;
•     проаналізувати залежність опору напівпровідників від температури й освітленості.

Структура заняття.

1.   Організаційна частина: привітання студентів, встановлення прізвищ відсутніх, причин відсутності.
2.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Тест “Закони постійного струму”   .

3. Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Напівпровідники – речовини, питомий опір яких дуже швидко змен­шується з підвищенням температури. (Ge, Si, Tl та ін.)

Взаємодія пари сусідніх атомів у напівпровідниках здійснюється за допомогою ковалентного зв'язку. В утворенні цього зв'язку від кожно­го атома бере участь по одному валентному електрону, які відщеплю­ються від атомів.

Кожний атом утворює чотири зв'язки із сусідніми, й будь-який валент­ний електрон може рухатися по одному з них. Дійшовши до сусіднього атома, він може перейти до наступного, а потім далі вздовж усього крис­тала. Валентні електрони належать усьому кристалу.

Ковалентні зв'язки напівпровідника достатньо міцні й за низьких температур не розриваються. Тому напівпровідники за низької темпе­ратури не проводять електричний струм.

Власна провідність напівпровідників.

У разі нагрівання напівпро­відника кінетична енергія частинок підвищується й відбувається роз­рив окремих зв'язків. Деякі електрони стають вільними, подібно до елек­тронів у металі. На місці відсутнього зв’язку утворюється “дірка”, яка еквівалентна позитивному заряду.

В електричному полі електрони переміщаються між вузла­ми решіток, утворюючи електричний струм. Дірки переміщаються в тому напрямі, куди рухали­ся б позитивні заряди, тобто: електрони – до аноду, а дірки – до катоду.

Власна провідність напівпровідників – електронно-діркова.

?? Яка провідність металів та електролітів?

Домішкова провідність напівпровідників.

При наявності в напівпровідниках невеликого процента домі шків крім власної провідності виникає домішкова.

• Донорні домішки.

При додаванні до напівпровідникового кристала (германію або кремнію) домішки, наприклад миш'я­ку (As) – Арсен, збільшується його електронна провідність. Атом миш'я­ку (As), має п'ять валентних електронів, 4 з яких утворюють ковалентні зв’язки з атомами основного напівпровідника, а 5-й стає вільним. Домішковий атом Si стає додатнім іоном. Такі домішки мають назву донорних (що дають ē) а напівпровідник n- типу (negative - від’ємний). В напівпровідниках n-типу електро­ни є основними носіями заряду, а дірки – неосновними.

Провідність  – електронно-діркова з переважанням електронної.

• Акцепторні домішки.

Домішка – трьохвалентний індій (In).

Атом індію (In)  має три валентних електрона, тому він захватує у атома основного напівпровідника валентний електрон для того, щоб закрити “пустий” зв’язок. Атом In  стає від’ємним іоном. Такі домішки мають назву акцепторних (що відбирають ē) а напівпровідник р-типу (positive - додатній). В напівпровідниках р-типу електро­ни є неосновними носіями заряду, а дірки – основними.

Провідність  – електронно-діркова з переважанням діркової.

Застосування напівпровідників

Серед фізичних властивостей, які мають напівпровідники, найбільше застосування дістали властивості контактів (р-n–переходу) між напівпровідниками з різними типами провідності.

Пристрій з р-n–переходом називається напівпровідниковий діод.

Транзистор – напівпровідниковий тріод (пристрій з р-n-р–переходом)

Діоди, розраховані на сильні струми, використовують для випрямляння змінних струмів, що живлять електродвигуни трамваїв, електровозів тощо. Напівпровідникові випрямлячі мають високу надійність і знач­ний термін служби. Проте вони можуть працювати лише в обмежено­му інтервалі температур (від –70 до 125 °С). Транзистори застосовують в електроніці.

4. Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до учнів:

• Чому опір напівпровідникових матеріалів залежить від температури?
• Який зв'язок називають ковалентним?
• Як змінюється питомий електричний опір напівпровідників: а) підчас нагрівання? б) у разі освітлення?
• Чому опір напівпровідників дуже сильно залежить від наявності домішок?

5. Розв’язання задач.

Достатній рівень:

1. Яку провідність (електронну чи діркову) має кремній із домішкою галію? Індію? Фосфору? Сурми (Sb – Стибій)? (Зб. Гельфгат І. М.: № 14.9)
2. Чому вимоги до чистоти напівпровідникових матеріалів дуже високі (у ряді випадків не допускається наявність навіть одного атома до­мішки на мільйон атомів)? (Зб: № 14.8)
3. Після введення в германій домішки миш'яку концентрація елект­ронів провідності збільшилася. Як змінилася при цьому концентра­ція дірок? (Зб. Гельфгат І. М. №14.44.)
4. Зб. Гладкова № 13.19

В мережі 220 В послідовно з електричною дугою ввімкнений реостат. Падіння напруги на електродах дуги 45 В. Сила струму в колі – 12 А. Знайти напругу на реостаті, його опір, і потужності дуги та реостату. (Відповідь: 75В, 6,3 Ом, 540 Вт, 900 Вт)

6. Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика: 11 кл.: § 22–23 (Гончаренко С.У. Фізика: 10 клас: § 73-76)

• Задача. (Зб. Гладкова  № 13.26)

Потужність струму у споживача складає 10 кВт при напрузі 400 В. Знайдіть падіння напруги в з’єднувальних  мідних проводах, якщо площа перерізу дроту 26 мм², а відстань від генератора до споживача становить 500 м.

(Підказка: l=500·2=100 м;  Відповідь: 16 В)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 24

Тема: Електрична і магнітна взаємодії. Взаємодія провідників зі струмом. Магнітне поле. Індукція магнітного поля. Потік магнітної індукції.

Мета заняття:

• сформувати уявлення учнів про магнітне поле як про вид матерії;
•  продемонструвати явища: взаємодія смугових магнітів, взаємодія паралельних провідників зі струмом, дія провідника зі струмом на магнітну стрілку;
• ввести поняття силової характеристики магнітного поля;

•     розв’язати задачі різних типів по темі.

Структура заняття.

1.   Актуалізація опорних знань

Фронтальна бесіда:

•     що називається електричним полем;
•     джерело електричного поля;
•     як у просторі знайти електричне поле;
•     що є силовою характеристикою електричного поля? ();
•     як спрямовані силові лінії електричного поля? (від “+” до “–”).

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Найпростіші магнітні властивості речовини.

Магнетизм відомий, принаймні, з V ст. до н. е., але вивчення магнітних явищ просувалося поволі. Уперше властивості магніту були описані лише  1269 року. Перша велика робота, присвячена дослідженню магнітних явищ, – книга Вільяма Гілберта «Про магніт, магнітні тіла та про великий магніт – Землю», яка вийшла в 1600 році. На основі досліджень Гілберт установив найпростіші магнітні властивості матеріалів ( в книзі описано близько 600 зроблених Гілбертом дослідів):

• магнітне тяжіння й відштовхування властиві тільки деяким речовинам: залізу, сталі й деяким сплавам;
• магніт має, принаймні, два полюси: північний і південний;
• однойменні полюси магнітів відштовхуються, а різнойменні – притягуються;
• вільно підвішений магніт орієнтується певним чином відносно сторін світу.

Взаємодія провідників зі струмом.

Зв'язок між електричними й магнітними явищами виголошувався ще до відомих дослідів Ерстеда й Ампера: було помічено, що блискавка перемагнічує компаси на кораблях, намагнічує сталеві предмети.

Пряме експериментальне виявлення зв'язку між електричними й магнітними явищами відбулося завдяки щасливій випадковості: коли Ерстед читав лекцію про постійні струми, він звернув увагу на те, що магнітна стрілка, яка була розташована поблизу провідника, обернулася під час ввімкнення струму.

Після того як були виявлені взаємодії магнітів із магнітами й електричних струмів із магнітами, виникло питання: чи матиме місце магнітна взаємодія між електричними струмами?

Позитивна відповідь на це питання була отримана Ампером. Він експериментально встановив, що паралельні провідники зі струмами взаємодіють.

Демонстрація 1:  Взаємодія паралельних провідників зі струмом

Взаємодії між провідниками зі струмом називаються магнітними.

Сили, з якими провідники зі струмом діють один на одного, називаються магнітними силами.

Магнітне поле.

Згідно з теорією близькодії струм в одному з про­відників не може безпосередньо діяти на струм в іншому провіднику. Подібно до того, як у просторі, котрий оточує нерухомі електричні за­
ряди, існує електричне поле, у просторі, який оточує струми, існує поле, що називається магнітним.

Магнітне поле – вид матерії, за допомогою якого здійснюється взає­модія між зарядженими частинками, які рухаються.

Властивості магнітного поля:

1. магнітне поле породжується магнітами й струмами (рухомими за­рядами);
2. магнітне поле виявляється за дією на магніти й струми (рухомі за­ряди).

Напрям магнітного поля.

Демонстрація 2:  Дія провідника зі струмом на магнітну стрілку.

 

З дослідів видно, що магнітна стрілка, яка може вільно обертатися навкруги своєї осі, завжди встановлюється в даній ділянці магнітного поля, орієнтуючись певним чином.

Напрям, на який указує північний полюс магнітної стрілки, є на­прямом магнітного поля в даній точці.

Якщо уявити, що в якій-небудь точці магнітного поля є маленька магнітна стрілка, то під дією поля стрілка обернеться й установиться за напрямом дотичної до лінії поля в цій точці, причому її північний полюс укаже напрям силової лінії.

Лініями магнітного поля є лінії, проведені так, що дотичні до них у кожній точці вказують напрям поля в цій точці.

Вони або замкнуті, або почи­наються й закінчуються на нескінченності.

Поля із замкнутими силовими лініями називаються вихровими. Магнітне поле – вихрове поле.

Правило правого гвинта (правило «обхвату» правою рукою) для визначення напряму ліній магнітного поля:

• для прямолінійного проводу зі струмом: якщо правою рукою «обхо­пити» провідник так, щоб великий палець був напрямлений уздовж струму, то чотири пальці покажуть напрям ліній магнітного поля;
• для котушки зі струмом: якщо «обхопити» правою рукою котуш­ку зі струмом, розташувавши чотири пальці у напрямі струму в витках котушки, то відігнутий великий палець укаже північний полюс котушки або напрям ліній магнітного поля всередині неї.

Задача.

1. Намалюйте силові лінії поля, укажіть їх напрямок:

2.  За напрямком силових ліній знайдіть напрямок сили струму: 

Силовою характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції: .

Модулем вектора магнітної індукції називають відношення макси­мальної сили, що діє з боку магнітного поля в ділянці провідника зі струмом, до добутку сили струму на довжину цієї ділянки:

За одиницю магнітної індукції можна прийняти магнітну індукцію однорідного поля, в якому в ділянці провідника завдовжки в 1 м за сили струму в ньому 1 А діє з боку поля максимальна сила 1Н:                                                                        [В]= Н/(A·м) = 1Тл

Одиниця магнітної індукції дістала назву тесла (Тл) на честь юго­славського вченого-електрика Н.Тесла.

Основні формули для визначення індукції поля:

• – зв'язок між магнітною індукцією та напруженістю магнітного поля;
• – магнітна індукція прямолінійного нескінченної довжини провідника із струмом, де r – відстань до провідника;
• – магнітна проникність речовини – величина, що показує в скільки разів магнітна індукція в речовині більша (менша) ніж в вакуумі,
• µ₀ = 4π·10^–7 Н/A² – магнітна стала.
• – магнітна індукція поля кругового витка в центрі вітка радіусом  r;
• – магнітна індукція поля соленоїда, де N – кількість витків в котушці, l – довжина соленоїда.
• Ф=ВS·cos α – магнітний потік, що пронизує поверхню площею S, де α – кут між нормаллю до площини контуру і магнітною індукцією.

[Ф] = Тл·м² = Вб (Вебер)

3.   Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до учнів:

• Які взаємодії називають магнітними?
• У чому суть теорії близькодії?
• У чому виявляється магнітна дія електричного струму?
• Чим є силові лінії електростатичного поля?
• В чому полягає відмінність силових ліній магнітного і електричного полів?
• Чи діє магнітне поле на нерухомий електрон? Відповідь поясніть.

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень

№ 1.

На різних ділянках кола намалювати магнітні лінії і вказати їх напрямок (рис. 4.):

Достатній рівень:

№. 2. (№17.33)

Індукція магнітного поля в точці, що знаходиться на відстані 4,5 см від прямого провідника зі струмом, дорівнює 2,8·10^–4 Тл. Знайдіть напруженість магнітного поля в цій точці і силу струму в провіднику. (Відповідь: 2,2·10² А/м; 63 А)

№. 3. (Коршак 10 кл. впр.13 №3)

На якій відстані від провідника, сила струму в якому 250 мА, магнітна індукція дорівнює 2·10^–6 Тл? (Відповідь: 2,5 см)

 

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика: 11 кл.: § 24, 25; вивчити правила
• впр. 13 № 1 Визначити максимальну магнітну індукцію поля на відстані 10 см від осі провідника, яким проходить струм 600 А.

(Відповідь: 1,2·10^–3 Тл)

Задача: Намалювати силові лінії та визначити полюси котушки:

• Гончаренко С.У. Фізика: 10 клас: § 63 – 65

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 25

Мета заняття:

•     роз'яснити дію магнітного поля на провідник зі струмом та на окремі заряджені рухомі частин­ки, ввести поняття сили Ампера, сили Лоренца;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Питання поточного контролю:

• що називається силою Ампера, від яких величин вона залежить?
• сформулювати правила для визначення напрямку сили Ампера.
• магнітний потік: що характеризує дана величина, її одиниці вимірювання.

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Сила, діюча на елемент струму  в магнітному полі з індукцією В називається силою Ампера.

Вираз для модуля сили F, діючої з боку магнітного поля з індукцією В на малий відрізок провідника l, по якому тече струм I, що складає з елементом струму кут α, має вигляд:

F_А = B·I·lsin α – закон Ампера.

!! Напрям сили Ампера можна знайти за допомогою правила лівої руки: якщо ліву руку розташувати так, щоб силові лінії магнітного поля входили в долоню, а чотири витягнуті пальці були напрямлені уздовж напряму струму, то відігнутий на 90° великий палець покаже напрям сили, діючої на провідник.

Взаємодія провідників зі струмом.

Дією сили Ампера пояснюється взаємодія паралельних провідників зі струмом:

 

 

 

Сила Лоренца – це сила, з якою магнітне поле діє на рухому заряджену частинку.

.

!! Напрям сили Лоренца визначається за допомогою правила лівої руки:

якщо витягнуті пальці лівої руки розташувати у напрямі руху позитив­ного заряду так, щоб складова магнітної індукції В, перпендикулярна до напряму швидкості заряду, входила в долоню, то відігнутий на 90° великий палець укаже напрям сили Лоренца, яка діє на заряд.

Для визначення напряму сили Лоренца, що діє на негативний заряд, який рухається, треба чотири витягнуті пальці лівої руки направити проти руху цього заряду.

Узагальнена сила Лоренца.

Як відомо, на електричний заряд діє не тільки магнітне, але й електричне поле. Отже, якщо електричний заряд рухається в електромагнітному полі, то сила, яка на нього діє, може бути представлена як векторна сила електричної та магнітної скла­дових:                                                         , або:

З курсу механіки відомо, що коли швидкість матеріальної точки пер­пендикулярна до напряму сили, що на неї діє, то ця точка рухається по колу. Значить, електричний заряд, що влетів в магнітне поле перпендикулярно до ліній поля, буде рухатися по колу. Слід наголосити, що магнітна сила при цьому є доцентровою. Таким чином, хоча магнітне поле й діє на частинку з деякою силою, але воно змінює тільки напрям руху частинки й не змінює її кінетич­ної енергії.

Нехай заряджена частинка влітає в магнітне поле під кутом α = 90° і рухається по колу радіусом R:  , , тоді: .

Оскільки сила Лоренца перпен­дикулярна до напряму швидкості руху частинки то і робота сили Лоренца дорівнює нулю.

3.   Узагальнення та систематизація знань.

Задача (Зб. Гельфгат  №12.22)

?? Як повинний рухатися електрон в однорідному магнітному полі, щоб на нього не діяла сила Лоренца?

?? Як рухається заряджена частинка в однорідному магнітному полі, якщо початкова швидкість частинки перпендикулярна до ліній маг­нітної індукції?

4.   Розв’язання задач.

Графічні задачі:

№1. Сформулювати і розв’язати задачу для кожного випадку:

 

№ 2.

Сформулювати і розв’язати задачу для кожного випадку:

Розрахункові задачі:

№3. (17.27 Гладкова)

 На прямолінійний провідник, по якому тече струм 1,5 А, в однорідному магнітному полі з індукцією 3,4 Тл діє сила 1,65 Н. Знайдіть довжину провідника, якщо він розташований під кутом 38 ° до ліній індукції. (sin38° = 0,6157)

(Відповідь: 0,54 м)

№ 4.

 Яка сила діє на електрон, що рухається зі швидкістю 60 000 км/с в однорідному магнітному полі з індукцією 0,15 Тл? Електрон ру­хається перпендикулярно до ліній магнітної індукції поля.  (Відповідь: 1,44·10^–12 Н)

№ 5.

 Протон у однорідному магнітному полі з індукцією 0,01 Тл описав коло радіусом 10 см. Знайдіть швидкість руху протона. (Відповідь: 96 км/с.)

№ 6.

 У напрямі, перпендикулярному до ліній індукції, влітає в магнітне поле електрон із швидкістю 10 Мм/с. Знайдіть індукцію поля, якщо електрон описав у полі коло радіусом 1 см.

(Відповідь: 5,7 мТл.)

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика: 11 кл: § 26 – 29; вивчити правила; впр. 14 № 1

На прямий провідник завдовжки 0,5 м, розміщений перпендикулярно до ліній магнітної індукції поля, значення якої 2·10^–2 Тл, діє сила 0,15 Н. Знайти силу струму в провіднику.

• Задача 2. (3б: № 12.23.) Сформу­люйте задачі для кожного випадку й розв'яжіть їх.

 

• Самостійно вивчити тему: «Дія електричного поля на живі орга­нізми. Вплив природних та штучних магнітних полів на живі організми»

 

 

 

 

План заняття № 26

Тема: Явище електромагнітної індукції. Закон емі. Правило Ленца.

Мета заняття:

• закріпити знання учнів по темі «Рух заряджених частинок в магнітному полі»;
• актуалізувати знання учнів про е.р.с.; електричне і магнітне поля;
• познайомити учнів із явищем електромагнітної індукції; по­казати значення цього явища для фізики й техніки;
• вивчити закон електромагнітної індукції;
• навчити студентів знаходити напрямок індукційного струму;
• розв’язати задачі по темі.

Структура заняття.

1.   Актуалізація опорних знань

Фронтальна бесіда:

•     що називається електричним полем;
•     джерело електричного поля;
•     як у просторі знайти електричне поле;

•     магнітне поле;
•     силова характеристика магнітного поля;
•     вихрове поле;

•     е.р.с.
•     магнітний потік через контур площею S:  Ф=ВS cos α

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Історія відкриття явища електромагнітної індукції.

Виявлена Ерстедом 1820 року дія електричного струму на магнітну стрілку показала, що електричні та магнітні явища, які вважалися до цього ізольованими, взаємозалежні. Однак дослід Ерстеда показав тільки один бік цього зв'яз­ку — породження магнітного поля електричним струмом. Англійський фізик Майкл Фарадей, довідавшись про досліди Ерстеда, узявся до пошу­ків зв'язку магнітних явищ із електричними. Пошуки Фарадея тривали від 1821 до 1831 р. Він виявив неабияку винахідливість, наполегливість і завзятість, поки, нарешті, не одержав електричний струм за допомогою магнітного поля.

Час показав, яке велике значення мало відкриття Фарадея. Повторю­ючи слова Гельмгольца, можна з повним правом сказати: «Поки люди будуть користуватися благами електрики, вони будуть пам'ятати ім'я Фа­радея».

Демонстрації:

                     

 

• Відхилення стрілки гальванометра вправо (вліво) при русі магніту всередині котушки;
• Невідхилення стрілки гальванометра при обертанні магніту всередині котушки;
• Відхилення стрілки гальванометра вправо (вліво) при русі котушки вздовж магніту;
• Відхилення стрілки гальванометра вправо (вліво) при розмиканні (замиканні) кола котушки;

Висновок:

Індукційний струм виникає при зміні магнітного поля, тобто для збудження електричного струму в замкнутому контурі необхідно змінювати магніт­ний потік через цей контур.

Явище електромагнітної індукції полягає в наступному: під час будь-якої зміни магнітного потоку, що пронизує контур про­відника, в останньому виникають сторонні сили (дія яких характеризу­ється ЕРС індукції):

а) якщо контур провідника замкнутий, то в ньому виникає індукційним струм;

б) якщо контур розімкнутий, то на його кінцях виникає різниця по­тенціалів.

Індукційне електричне поле

Роз­глянемо замкнутий провідник, що має форму круга. За відсутності змін­ного магнітного поля його електрони провідності беруть участь лише в хаотичному русі частинок (напрямлений рух електронів відсутній). Якщо контур пронизується змінним магнітним потоком, то в контурі виникає електричний струм. Що викликало зміщення електронів уздовж провідника?

Очевидно, що виникнення в нерухомих провідниках руху зарядів (електричного струму) означає появу електричного поля.

Отже, індукційне (наведене) електричне поле з'являється в результаті зміни магнітного поля. Таким чином, індукційне електричне поле не зв'язане із зарядами (як це мало місце у випадку електростатич­ного поля).

Лінії індукційного електричного поля, подібно до ліній магнітного, ніде не починаються і не закінчуються, тобто вони – замкнуті і охоплюють лінії індукції магнітного поля. Це так зване вихрове електричне поле.

Дж. Максвелл першим дійшов висновку, що, змінюючись у часі, маг­нітне поле породжує електричне поле.

Основні властивості вихрового електричного поля.

а) воно не зв'язане з електричними зарядами;

б) силові лінії цього поля завжди замкнуті;

в) робота з переміщення зарядів уздовж замкнутого контуру, виконана силами вихрового поля, не дорівнює нулю.

Таким чином, вихрове електричне поле не є потенціальним полем.

ЕРС  індукції.

Досліди Фарадея показали, що сила індукційного стру­му І, в провідному контурі пропорційна швидкості зміни магнітного по­току через поверхню, обмежену контуром:                             I~∆Ф/∆t.

Закон електромагнітної індукції (закон Фарадея):

ЕРС індукції дорівнює за модулем швидкості зміни магнітного пото­ку через площу контуру замкнутого провідника:

Цей закон формулюється саме для ЕРС, а не для індукційного струму і виражає суть явища, що не залежить від властивостей провідників. Для виникнення струму провідник має бути замкнутим, і сила струму зале­жить не тільки від швидкості зміни магнітного потоку, а й від опору про­відника.

Якщо в змінне магнітне поле внести котушку, що складається з N вит­ків, то ЕРС індукції буде в N разів більша: .

З цієї формули видно, що   1Вб = 1В·1с

ЕРС індукції в провідниках, які рухаються в магнітному полі.

Нехай провідник за­вдовжки l рухається в однорідному магнітному полі з індукцією В зі швидкістю в напрямі, перпендикулярному до цього провідника, так що  ,

На електрони в провіднику буде діяти сила Лоренца F_Л:  , де α – кут між векторами

Робота поля на шляху l дорівнює: А=F_Л·l= q·υ·B·l·sin α. Оскільки , , то  

ε_і = υ·B·l·sin α.

Напрям індукційного струму можна визна­чити за правилом правої руки:

якщо праву руку розмістити вздовж провідника так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, а відігнутий великий палець показував напрям руху провідника, то витягнуті чотири пальці покажуть напрям струму в провіднику.

Правило Ленца: Індукційний струм у замкнутому контурі завжди має такий напрям, що створений магніт­ний потік через контур прагне компенсувати зміну магнітного потоку, яка викликала даний струм.

Або: поля, струми і сили, які вини­кають при індукції, завжди перешкоджають тому процесу, що викликає індукцію.

Алгоритм знаходження напрямку індукційного струму.

1. Встановити напрямок ліній зовнішнього магнітного поля.
2. Вияснити знак ∆Ф (∆Ф>0 – потік зростає, ∆Ф < 0, потік спадає)
3. Встановити напрямок ліній магнітного поля індукційного струму:
   • якщо ∆Ф>0, то ;
   • якщо ∆Ф < 0, то
4. знаючи напрямок ліній  , по правилу правого вінта знайти напрямок І_і. 

3.   Узагальнення та систематизація знань.

Узагальнюючі питання:

• що характеризує вектор магнітної індукції В?
• яку фізичну величину називають магнітним потоком?
• у яких одиницях вимірюється магнітний потік?
• у яких випадках у замкнутому провіднику, що перебуває у магнітному полі, виникає індукційний струм?
• замкнуте металеве кільце рухається в однорідному магнітному полі поступально. Чи виникає індукційний струм у кільці? Чому?
• як треба зорієнтувати дротяну рамку в однорідному магнітному полі, щоб магнітний потік через рамку дорівнював нулю? Був максимальним?

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1. (Зб. № 3.5)

Вертикальний металевий стрижень завдовжки 50 см рухається горизонтально зі швидкістю 3 м/с в однорідному магнітному полі з індукцією 0,15 Тл. Лінії магнітної індукції поля напрямлені горизонтально під прямим кутом до напряму вектора швидкості стрижня. Чому дорівнює ЕРС індукції в стрижні. (Від­повідь: 225 мВ)

№ 2. ( Зб. №3.21).

У котушці з 200 витків збуджується постійна ЕРС індукції 160 В. На скільки змінився протягом 5мс магнітний потік через кожний із витків? (Відповідь: 4 мВб )

Достатній рівень:

№ 3.

Визначте напрям індукційного струму в кільці та в котушці. (рис.1,2)

 

№ 4.

Струм якого напряму буде індукуватися в котушці В під час замикання й розмикання вимикача (рис. 3)?

 

 

 

 

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика 11 кл.: § 33 – 36; вивчити правила; впр. 16 № 2
• впр. 16 № 2

Визначити ЕРС індукції в провіднику з довжиною активної частини 0,25 м, який переміщується в однорідному магнітному полі індукцією 8 мТл зі швидкістю 5м/с під кутом 30° до вектора магнітної індукції.  (Відповідь: 5 мВ )

• Задача.

Визначте напрям індукційного струму.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

вище електромагнітної індукції.

Явище, якому присвячений цей розділ, поширене в природі і застосовується людиною в різних електротехнічних пристроях і машинах. Завдяки існуванню електромагнітної індукції енергія механічного руху на електростанціях перетворюється на енергію електричного струму, без якого важко уявити собі сучасне життя. Докладне вивчення цього явища дало змогу створити численні засоби зв'язку — телефон, телеграф, радіо, телебачення тощо.

Крім практичного значення для життя людини, електромагнітна індукція дає чудовий пізнавальний матеріал, що демонструє органічну єдність явищ, які ми називаємо електричними і магнітними. Навіть поняття електромагнітного поля знайшло місце в науці як відображення об'єктивної реальності лише після вивчення явища електромагнітної індукції.

Однак, до розуміння електромагнітної індукції як фізичного явища вчені йшли довгим і тернистим шляхом. Найбільша заслуга у вивченні цього явища належить відомому англійському фізику М. Фарадею — неперевершеному майстрові проведення фізичного експерименту. Результати його досліджень покладено в основу фундаментальної теорії електромагнітного поля, яка свого часу стала новим кроком у пізнаванні природи, відкрила нові шляхи вивчення її законів.

Фарадей Майкл (1791—1867) — великий англійський фізик, основоположник учення про електромагнітне поле, один із засновників електрохімії, дослідник взаємодії речовини і магнітного поля.

ДОСЛІДИ ФАРАДЕЯ

Після відкриття у 1820 р. датським фізиком X. Ерстедом зв'язку магнітного поля з електричним струмом М. Фарадей записав у своєму науковому щоденнику програму досліджень коротким реченням: «Перетворити магнетизм  на  електрику». Після   тривалих наукових пошуків він у 1831 р. одержав перші  позитивні  результати стосовно  поставленого завдання:   внаслідок   взаємодії провідників із магнітним полем по них проходив електричний струм.

Опишемо найважливіші досліди, які можна легко виконати на сучасному лабораторному обладнанні.

1. До клем гальванометра приєднаємо довгий провідник, частина якого закріплена в лапках штативів. Постійний підковоподібний магніт рухатиметься так, щоб його полюси спочатку наближалися до провідника, а потім — віддалялися від нього (мал. 1.1). 

 

Стрілка гальванометра при цьому відхилятиметься спочатку в один бік, а потім — у протилежний.

 

 

 

 

2. Закріпимо підковоподібний магніт у лапках штатива. Провідник, приєднаний до клем гальванометра, вводитимемо в міжполюсний простір, і виводитимемо з нього (мал. 1.2). 

 

 

Стрілка гальванометра також: відхилятиметься спочатку в один, а потім — у протилежний бік.

 

 

 

 

 

3. Одну з котушок приєднаємо до клем гальванометра, а другу ввімкнемо в електричне коло із джерела постійного струму і вимикача. Замкнувши коло живлення другої котушки, почнемо наближати  її до першої (мал. 1.3). 

 

Відхилення стріти гальванометра засвідчує, що в колі першої котушки з'явився електричний струм. Напрямок цього струму зміниться на протилежний, якщо другу котушку віддаляти від першої. Якщо котушки нерухомі, то стрілка гальванометра буде нерухомою.

 

4. Розмістимо другу котушку поблизу першої нерухомо і замкнемо коло її живлення (мал. 1.4). 

У момент замикання кола стрілка гальванометра відхилиться на деякий кут, а потім повернеться в початкове положення. Під час розмикання електричного кола другої котушки стрілка гальванометра відхилиться в протилежний бік і знову повернеться в початкове положення.

 

5. Замкнемо коло живлення другої котушки і діждемося, коли стрілка гальванометра повернеться в початкове положення. Після цього почнемо змінювати силу струму в колі живлення другої котушки переміщенням повзунка реостата (мал. 1.5).

 

Зі збільшенням сили струму стрілка гальванометра відхиляється в один бік, зі зменшенням — у протилежний.

 

 

 

 

 

6. Не змінюючи положення котушок (див. мал. 1.5) замкнемо коло живлення другої котушки і зачекаємо, доки стрілка гальванометра повернеться в початкове положення. Після цього в обидві котушки введемо сталевий стрижень (мал. 1.6). 

Стрілка гальванометра, як і в попередніх дослідах, відхилиться від нульової поділки, і покаже наявність електричного струму в першій котушці в момент введення стрижня. Під час виймання стрижня з котушок стрілка гальванометра відхилятиметься в протилежний бік.

 

Описані досліди засвідчують, що за будь-якої зміни магнітної індукції чи руху замкнутого провідника в магнітному полі з'являється електричний струм.

Електричний струм, який виникає в замкнутому провіднику в змінному магнітному полі, називають індукційним. Його напрямок залежить від характеру зміни магнітного поля. Зі збільшенням магнітної індукції він має один напрямок, зі зменшенням — протилежний. Докладніше про способи визначення напрямку індукційного струму розповідається в наступних параграфах.

Явище виникнення електричного струму в замкнутому провіднику в разі зміни магнітного поля є одним із проявів електромагнітної індукції.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 27

Тема: Індуктивність. Енергія магнітного поля струму.

Мета заняття: 

•       закріпити та поглибити знання та вміння учнів по темі “ЕМІ”;
•       вивчити явище самоіндукції;
•       ввести поняття індуктивності;
•       розв’язати задачі по темі.

Структура заняття.  

1.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань. 

Явище самоіндукції.

Дослід 1.

Кожен провідник, у якому існує електричний струм, має «власне» магнітне поле. Це поле виявляється в момент, коли замикається електричне коло і в провіднику з'являється електричний струм. Якщо індукція магнітного поля перед замиканням кола дорівнювала нулю (В₀ = 0), то через деякий час після замикання вона матиме певне значення В, відмінне від нуля. Отже, момент замикання електричного кола можна вважати моментом зміни магнітного потоку. А будь-яка зміна магнітного потоку, за законом електромагнітної індукції, зумовлює появу вихрового електричного поля, яке спричинює появу ЕРС в усіх замкнутих провідниках, які знаходяться в цьому полі. Не може бути винятком і провідник, який є «джерелом» цього поля. Вихрове електричне поле і в ньому індукує ЕРС індукції.

Явище самоіндукції виявив Джозеф Генрі у 1832 р.

При замиканні електричного кола спостерігається електромагнітна індукція

Нехай дві однакові лампочки Л₁ і Л₂ з'єднані паралельно через резистор R і котушку індуктивності L в колі з джерелом постійного струму Б і перемикачем К (див. рис.). Під час замикання кола ключем К лампочка Л₁ загорається миттєво. Лампочка Л₂ загоряється із запізненням. Це пояснюється тим, що сила струму на ділянці кола з котушкою через явище самоіндукції встановлюється не одразу, а поступово.

Зрозуміти результати досліду можна, пригадавши правило Ленца, згідно з яким ЕРС, індукована у провіднику вихровим електричним полем, має знак, протилежний знаку ЕРС джерела струму. І лише робота сторонніх сил у джерелі струму поступово зменшує швидкість наростання напруженості індукованого електричного поля і виникнення ЕРС індукції. Оскільки зміна магнітного потоку і явище електромагнітної індукції відбуваються одночасно в одному колі, то на відміну від попередніх випадків це явище називають самоіндукцією.

Самоіндукція — це явище виникнення сторонніх сил (що характери­зуються ЕРС індукції) у провідному контурі під час зміни магнітного поля, створеного змінним струмом у цьому ж провіднику.

Розрахувати значення ЕРС самоіндукції можна, застосувавши закон електромагнітної індукції:

, де N — кількість витків.

Дослідження явища самоіндукції показали, що значення ЕРС самоіндукції залежить від параметрів електричного кола.

ЕРС самоіндукції пов'язують не зі швидкістю зміни магнітного потоку, а зі швидкістю зміни сили струму.

!! ЕРС самоіндукції в колі пропорційна швидкості зміни сили струму в колі: .

Індуктивність — це власна якість провідного контуру, зумовлена відношенням зміни потоку магнітної індукції, що пронизує контур, до зміни сили струму в ньому:

  [L] = Вб / А = Гн = В·с / A

1 Генрі — це індуктивність такого провідника, в якому струм силою в 1 А створює магнітний потік у 1 Вб.

Індуктивність соленоїда: , де N – кількість витків, l – довжина соленоїда

Енергія магнітного поля струму:   

Застосування і врахування самоіндукції в техніці. (додатково)

Розглянемо до­слід, у якому розмикають коло дросельної котушки із осердям. Один із проводів залишається приєднаним до клеми котушки, а другим торкаємося до іншої клеми.

У момент розмикання помітне проскакування іскри, що може перейти в дуговий розряд невеликої інтенсивності, супроводжуваний тріском. Важливо зазначити, що особливо сильний розряд може виникати під час розмикання кіл (велика швидкість зміни струму), що містять котушки зі стальними осердями – електромагніти, двигуни, трансфор­матори.

Спостереження розрядів, які виникають під час розмикання кіл, мо­жуть бути використані для обґрунтування необхідності спеціальних мас­ляних вимикачів, у яких спостерігається небезпечний наслідок ЕРС само­індукції – дуговий розряд. Це особливо важливо під час вимикання кіл електропостачання заводів із великою кількістю електродвигунів, трам­вайної мережі, промислових районів і т. д.

2.         Розв’язання задач.

Коршак Є.В. впр. 18 № 2; впр. 19 № 1,2;  впр. 20 № 2;  впр. 21 № 2

Середній рівень:

№ 1. впр. 18 № 2

Стальне осердя з площею поперечного перерізу 20 см² пронизує магнітний потік 0,8 мВб. Яка індукція магнітного поля в осерді? (Відповідь: 0,4 В)

№ 2. впр. 19 № 1

Замкнутий провідник у формі кільця площею 100 см² знаходиться в однорідному магнітному полі з індукцією 1 Тл. Площина кільця перпендикулярна до вектора індукції магнітного поля. Яке середнє значення ЕРС індукції виникає при зникненні магнітного поля протягом 0,01с? (Відповідь:  1 В)

№ 3. впр. 20 № 2

Якою має бути швидкість зміни сили струму в обмотці електромагніту з індуктивністю 2 Гн, щоб середнє значення ЕРС самоіндукції дорівнювало 20 В? (Відповідь: 10 А/с)

Достатній рівень:

№ 4. впр. 19 № 2

Дротяне кільце радіусом 5 см розміщене в однорідному магнітному полі з індукцією 1 Тл так, що вектор індукції перпендикулярний до площини. Визначити середнє значення ЕРС індукції, якщо кільце повернули на 90° за 0,1 с. (Відповідь: 78,5·10^–3 В)

№ 5. впр. 21 № 2

На котушку опором 8,2 Ом подається стала напруга 55 В. Яка енергія магнітного поля котушки, якщо її індуктивність 25 мГн. (Відповідь: 0,56 Дж)

№ 6. (Зб. 3 № 16.64)

Знайти магнітний потік в соленоїді без осердя, сила струму в якому 6,3 А. Соленоїд містить 1400 витків, має довжину 1,6 м і радіус витка 4,8 см. Якою є індуктивність соленоїда? (Відповідь: 50 мкВб; 11 мГн)

3.         Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи студентів.

• Коршак Є.В. Фізика: 11 кл.: § 33 – 36; вивчити правила; скласти узагальнюючу таблицю формул по темі: “Електромагнетизм”;

• впр. 19 № 3

Визначити швидкість зміни магнітного потоку в котушці з 2000 витків, що індукує в ньому ЕРС 120 В.

• Задача (Зб. 2 № 3.13)

Енергія магнітного поля  котушки індуктивністю 0,5 Гн дорівнює 0,25 Дж. Знайти силу струму в котушці. (Відповідь: 1 А)

 

 

Заняття № 13

Л.р. № 11. Вивчення явища електромагнітної індукції.

Величина	Формула	Од. вимір.
Модулем вектора магнітної індукції		[В]= Н/(A·м) = 1Тл
Зв'язок між магнітною індукцією та напруженістю магнітного поля
Магнітна індукція прямолінійного нескінченної довжини провідника із струмом
Магнітна проникність речовини
Магнітна стала	µ0 = 4π·10–7 Н/A2
Магнітна індукція поля кругового витка в центрі вітка радіусом  r
Магнітна індукція поля соленоїда
Магнітний потік	Ф=ВS·cos α	[Ф] = Тл·м2 = Вб
Сила взаємодії паралельних провідників зі струмом
Закон Ампера	FА = B·I·lsin α
Сила Лоренца
Закон електромагнітної індукції	;	1Вб = 1В·1с
ЕРС самоіндукції
ЕРС індукції в провідниках, які рухаються в магнітному полі	εі = υ·B·l·sin α
Індуктивність		[L] = В·с / А = Гн
Індуктивність соленоїда
Енергія магнітного поля струму

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 28

Тема: Коливальний рух. Вільні коливання. Амплітуда, пе­ріод, частота.

Мета заняття:

 – познайомити учнів з коливальним рухом;

•     з’ясувати умови виникнення  коливань;
•     дати визначення основним характеристикам коливального руху;
•     ввести поняття гармонійних коливань;
•     розв’язати задачі по темі.

Структура заняття.

1.   Мотивація навчальної діяльності. Формування мети та основних завдань.

Коливання – один з найпоширеніших видів руху в природі й техніці. Коливаються дерева в лісі, пшениця в полі, стру­ни музичних інструментів, мембрана телефону. Коливаються площини й фюзеляж літака, кузов автомобіля, поршні двигуна. Коливальні рухи відбуваються й у житті нашої планети (землетруси, припливи й відливи), і в астрономічних явищах. З коливаннями ми зустрічаємось і в живій природі: биття серця, рух голосових зв'язок тощо.

Ми будемо вивчати механічні й електро­магнітні коливання.

2.   Засвоєння нових знань.

Механічними коливаннями називаються такі рухи тіл, при здійсненні яких через рівні інтервали часу координати тіла, що рухається, його швидкість і прискорення набувають вихідних значень.

Системи, що здатні здійснювати коливання, називаються коливальними.

Існують два види коливальних рухів: вільні та вимушені.

Вільні коливання – це коливання, які відбуваються в механічній си­стемі під дією внутрішніх сил системи після короткочасного впливу зов­нішньої сили. Вони відбуваються тільки за раху­нок початкового запасу енергії, наданого системі.

?? Наведіть приклади вільних коливань. (коливання маятника, тя­гарця на нитці, тягарця на пружині, тощо).

Вимушені коливання виникають в системі під дією зовнішніх періодичних сил.

?? Наведіть приклади вимушених коливань.

У разі відхилення системи від положення стійкої рівноваги рівнодійна всіх сил, при­кладених до тіла, прагне повернути систему в початкове положення. Ця рівнодійна називається повертальною силою. Однак, повертаючись у по­ложення рівноваги, система внаслідок інерції проскакує його. Після цьо­го виникає повертальна сила, напрямлена тепер у протилежний бік, так і виникають коливання.

Щоб коливання продовжувалися тривалий час, необхідно, щоб сили тертя або сили опору були достатньо малими.

Умови існування вільних коливань:

1.                  Система повинна перебувати біля положення стійкої рівноваги.
2.                  Сили тертя (опору) повинні бути достатньо малими.

 

 

Гармонічні коливання.

Розглянемо гармонійні коливання на прикладі механічних коливань. Коливання, при яких зміщення залежить від часу за законом косинуса (синуса), називаються гармонічними:             ,          або         

X_max – амплітуда коливань – максимальне значення зміщення тіла від положення рівноваги під час гармонічних коливань.

х – миттєве значення зміщення.

Періодом гармонічного коливання Т називається час одного повного коливання (проміжок часу, через який рух повністю повторюється).

Кількість повних коливань ν, які здійснює тіло за 1 с, називається ча­стотою коливань.

;          .                   [Т]=1с;  [ν]=1/c=1 Гц

ω – циклічна частота коливань – кількість повних коливань, які здійснює тіло за 2π секунд

[ ω ] = рад/с = 1/с

ω t – фаза коливань – кутова величина, що показує долю періоду ( в градусах, або в радіанах), що пройшла від початку коливання.

   

φ – початкова фаза

Швидкість гармонійних коливань – перша похідна від координати:

Якщо         , то        .       

Звідки,        

Прискорення гармонійних коливань – перша похідна від швидкості, або друга похідна від координати:

;    . Звідки, .

Сила, що зумовила гармонійні коливання, прямо пропорційна зміщенню тіла та спрямована протилежно ньому:

3.   Узагальнення та систематизація знань.

• Які особливості мають сили, що викликають коливальний рух?
• Наведіть приклади гармонічних коливань.
• Які величини, що характеризують коливальний рух, змінюються періодично?
• Під час коливань тягарець, підвішений на нитці, проходить через положення рівноваги з інтервалом 0,5 с. Чому дорівнює період коли­вань?

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.

Тіло за 10 с зробило 50 коливань. Чому дорівнює період та частота коливань?

Достатній рівень:

№ 2.

Напишіть рівняння гармонічного коливання, якщо його амплітуда 0,5м, а частота 25Гц. Коливання відбуваються за законом косинуса.

№ 3.

Коливання тягарця на пружині задається рівнянням . Визначте амплітуду, період, колову частоту й частоту коливань. Запишіть рівняння коливань швидкості.

№ 4.

Амплітуда коливань 12 см, частота 50 Гц. Знайдіть зміщення точки , що коливається, через 0,4с від початку коливань. Коливання відбуваються за законом косинуса. (Відповідь: 12см).

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика 11 клас § 42,43;

або:Гончаренко С.У. Фізика 11 клас: § 8 – 12

• Задача.

Коливання задається формулою . Знайдіть амплі­туду, частоту й період коливання.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 29

Тема: Гармонічні коливання.  Рівняння гармонічних коливань.

Мета заняття:

• закріпити та поглибити знання учнів по темі “Коливальний рух. Гармонічні коливання”;
• проаналізувати графік гармонічних коливань;
• розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Організаційна частина: привітання студентів, встановлення прізвищ відсутніх, причин відсутності.
2.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Біля дошки розв’язання д/з.
• Питання поточного контролю:

Дати визначення:

• механічними  коливаннями;
• вимушені, вільні коливання;
• умови існування вільних коливань;
• гармонічні коливання;
• затухаючі, незатухаючі коливання;
• амплітуда, період, частота коливань (показати їх на графіку коливань);
• за яким законом (синуса або косинуса) здійснюються коливання, графік яких наведено?.

3.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.

Напишіть рівняння гармонійних коливань, частота яких 0,5 Гц, а амплітуда 80см. Коливання здійснюються за законом синуса.

№ 2.

Напишіть рівняння гармонійних коливань, якщо за 1 хв. тіло зробило 60 коливань з амплітудою 8см.  Коливання здійснюються за законом косинуса.

Достатній рівень:

№ 3.

Дано рівняння коливань: х = 0,4 cos 5πt. Знайти амплітуду, період коливань і зміщення при t=0,1с.

 № 4.

Амплітуда коливань 2см, частота 50 Гц. Скільки часу пройшло від початку коливань, якщо зміщення дорівнює 1см. Коливання здійснюються за законом косинуса.

№ 5.

На рисунку  наведено графік гармонічного коливання. Знайдіть ам­плітуду, частоту й період коливання. Запишіть формулу коливань.

(Відповідь: х = 0,06 sin 5πt; х_max=6 см; Т=0,4с; ν=2,5 Гц)

№ 6.

Коливання відбуваються за законом:  х = 0,05 cos 20πt. Записати рівняння коливань швидкості і прискорення. Знайти швидкість і прискорення в момент часу t=0,01с. Побудувати графік коливань.

Додатково: впр.4 № 2

4.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи студентів.

• Коршак Є.В. Фізика 11 клас § 42,43,

або: Гончаренко С.У. Фізика 11 клас: §  8 – 12

• Задача. На рисунку  наведено графік гармонічного коливання. Знайдіть ам­плітуду, частоту й період коливання. Запишіть формулу коливань. (Відповідь: х = 0,4 cos πt, х_м=40 см, Т=2с, ν=0,5 Гц.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 30

Тема: Математичний маятник. Формула періоду коливань математичного маятника. Вимушені коливання. Резонанс.

Мета заняття:

 – перевірити знання учнів з теми “Коливальний рух. Гармонійні коливання.”

•     актуалізувати знання учнів про пружні деформації, закон Гука ;
•     ввести поняття математичного та фізичного маятника;
•     вивчити формули Томсона;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Питання поточного контролю:

•     механічні коливання;
•     вільні коливання;
•     вимушені коливання
•     умови існування вільних коливань;
•     гармонійні коливання;
•     рівнодійна яких сил відіграє роль повертальної сили при коливанні тягарця, підвішеного: а) на нитці; б) на пружині?
•     які тіла утворюють систему при коливанні тягарця, підвішеного на нитці (пружині)? якою є природа сил під час взаємодії цих тіл?

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Рівняння коливального руху тягарця на пружині.

??  Які сили діють на тягарець?

За ІІ законом Ньютона: F = ma;  за законом Гука: F= − k · ∆x . Таким чином, рівняння, яке описує рух тягарця, має вигляд:    ma = − k · ∆x , або:    . Порівнюючи отримане рівняння з рівнянням , бачимо, що . Розв’язком такого рівняння є функція: . Таким чином, у разі вертикального зміщення тягарця на пружині від положення рівноваги він буде здійснювати гармонійні коливання.

Математичний маятник.

Буде­мо вважати, що розміри тягарця набагато менші за довжину нитки, а нит­ка – нерозтяжна та невагома. Вважатимемо кут відхилення маятника достатньо малим (не більшим за 10 – 15°).

Математичним маятником називається ідеалізована коливальна система без тертя, що складається з невагомої й нерозтяжної нитки, на якій підвішена матеріальна точка.

Повертальною силою у даному випадку є рівнодійна сили тяжіння ті та сили реакції нитки. За малих кутів а можна вважати, що на­прямлена уздовж дотичної до траєкторії.

Період коливань математичного маятни­ка дорівнює: .

Період коливань тягарця на пружині дорівнює: .

Запитання до студентів у ході викладення нового матеріалу:

• Що таке потенціальна й кінетична енергія?
• У яких точках траєкторії коливне тіло має тільки кінетичну енергію?
• У які моменти руху коливне тіло має тільки потенціальну енергію?

Висновок: Згідно з законом збереження енергії: W_к + W_р = const;

W_к + W_р = W_{k max} = W_{p max};  − кінетична енергія; потенціальна енергія пружно деформованого тіла.

Механічний резонанс.

Демонстрація: Збільшення амплітуди вимушених коливань математичного маятника в результаті резонансу.

Тіло або систему тіл можна змусити здійснювати коливання, прикладаючи зовнішню періодичну силу.

Коливання, що здійснюються під дією зовнішньої періодичної сили, називаються вимушеними.

Є дві основні відмінності вимушених коливань від вільних:

а) Частота вільних коливань визначається характеристиками самої си­стеми. Вона називається власною чистотою та позначається звичайно ν₀  і дорівнює частоті періодичної діючої сили ν.

б) Амплітуда вимушених коливань не зменшується з часом, навіть якщо в системі присутнє тертя, оскільки втрати механічної енергії, зу­мовлені тертям, відновлюються за рахунок роботи зовнішніх сил.

Явище різкого зростання амплітуди вимушених коливань у випадку, коли частота зовнішньої сили збігається з власною частотою системи, називається резонансом.                 

ν₀ = ν, або ω = ω₀ –  умова резонансу.

На рис. крива 1 відповідає малій силі тертя в системі, а крива 2 – великій силі тертя.

??   Як залежить резонансна амплітуда коливань від сил тертя.

•     Наведіть приклади використання резонансу.
•     Наведіть приклади негативних наслідків резонансу.

Застосування резонансу й боротьба з ним.

Явище резонансу викори­стовується в музичних інструментах для посилення звуку. Воно знаходить застосування в багатьох приладах, у тому числі вимірювальних. Його ча­сто використовують також, коли треба зрушити з місця що-небудь важке, наприклад автомобіль, який застряг. У такому випадку підбирають часто­ту поштовхів так, щоб вона збіглася з власною частотою системи. У ре­зультаті амплітуда коливань зростає й нарешті стає такою великою, що тіло вже не повертається в колишнє положення.

Буває, що резонанс призводить навіть до руйнування будинків і мостів. Небезпечним є резонанс і під час роботи будь-яких машин, які мають обер­тові частини, або такі, що періодично рухаються (а такі частини мають практично всі машини). Наприклад, розбалансування вала верстата або двигуна виявляється в тому, що під час обертання вала виникає періодична сила, яка діє на основу механізму, а через неї — на будівлю. Якщо частота цієї сили виявиться близькою до власної частоти коливань будівлі, її амплі­туда коливань може зрости настільки, що це призведе до руйнування будів­лі.

Щоб уникнути небажаних проявів резонансу, діють двома способами:

а) Роблять неузгодженими частоти, збіг яких може призвести до резо­нансу. Для цього змінюють або частоту зовнішньої сили, або власну часто­ту системи.

б) Збільшують затухання коливань. Наприклад, ставлять двигун на гумову підкладку або на пружини.

3.   Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до студентів:

• чи залежить період математичного маятника від маси тягарця?
• а період коливань від амплітуди?(для математичного та пружин­ного маятників)
• як зміниться період коливань математичного маятника, якщо його довжину  збільшити (зменшити) в 3 рази?
• за якої умови коливання математичного маятника можна вважати гар­монічними?
• як і чому зміниться період коливання підвішеної на нитці стальної кульки, якщо під нею розташувати магніт?
• як зміниться період коливань пружинного маятника, якщо масу тягарця  зменшити у два рази?

4.   Розв’язання задач.

Достатній рівень:

№ 1. (Зб. Гладкова № 19.21)

На пружині здійснює коливання тягар масою 0,1 кг. Визначте період його коливань, якщо відомо, що для розтягування пружини на 1 см потрібна сила 0,1 Н. Знайти залежність а(х) - ?.

 

 

 

Дано:             СІ:                     Розв’язок.

m =  0,1 кг   за законом Гука: F= − k · ∆x  → ;  | k | = Н/м.

∆x = 1 см       0,01м      k = 0,1/ 0,01 = 10 Н/м .За ІІ законом Ньютона: F = ma.

F = 0,1 Н   Отримаємо:   ma_х = − k · ∆x → .

Т-?    Отже,       a_х =  −100х

а(х) - ?    Знайдемо період коливань: .          Т ≈ 0,63с.

Відповідь:          Т ≈ 0,63 с;       a_х =  −100х

№ 2.(Зб. Гладкова  № 19.10)

Тіло масою 0,1 кг здійснює гармонійні коливання по закону . Визначити амплітуду зміщення, період, частоту, початкову фазу коливань. Записати рівняння коливань швидкості та прискорення.  Чому дорівнює амплітуда швидкості та прискорення? Побудувати графік коливань x = х(t). За яким законом змінюється сила, що діє на тіло?

№ 3.(Зб. Гладкова  № 19.26)

Знайти період гармонічних коливань математичного маятника довжиною 1 м,  якщо g = 9,81 м/с².  В скільки разів треба змінити довжину нитки маятника, щоб період його коливань збільшилася в 2 рази? (Відповідь: 2 с; збільшити в 4 рази)

№ 4. (Зб. Гладкова  № 19.27)

Знайти довжину математичного маятника, який здійснює повне коливання за 4 с, якщо g=9,81 м/с². (Відповідь: 3,98 м)

№ 5. (3б: № 1.11)

Знайдіть жорсткість пружини, якщо підвішений на ній тягарець масою 700 г здійснює 18 коливань за 21с. (Відповідь: 20 Н/м.)

№ 6.

Тягарець масою 400 г виконує коливання на пружині жорсткістю 160Н/м. Амплітуда коливань дорівнює 5 см. Знайдіть: а) найбільшу швидкість тягарця, швидкість тягарця в момент, корда його змішення дорівнює 3 см. (Відповідь: 1 м/с; 0,8 м/с)

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика 11 клас § 44,45; впр. 23 № 3, 8.   
• або: Гончаренко С.У. Фізика: 11 клас: § 13, знати конспект, впр. 4 № 1.   
  • Реферат:  “Ультразвукові коливання”, “Інфразвукові коливання” (джерела, властивості, вплив на жив організми, захист та/або застосування).

 

 

 

 

 

 

План заняття № 31

Вид заняття:  урок вивчення нового матеріалу

Тема: Поширення коливального руху у пружному середовищі. Поперечні і подовжні хвилі. Залежність  λ(ν,υ). Природа звуку. Звукові хвилі.

Мета заняття:

•     перевірити знання учнів по темі “Гармонічні коливання”;
•     дати студентам поняття про хвильовий рух як про процес поши­рення коливань у просторі з часом;
•     вивчити механізм утво­рення поперечних і поздовжніх хвиль;
•     дати поняття звукової хвилі та ввести її основні характери­стики – швидкість, висота тону і гучність;
•     вивести залежність λ(ν,υ) та розв’язати задачі по темі.

Структура заняття.

1.   Організаційна частина: привітання студентів, встановлення прізвищ відсутніх, причин відсутності.
2.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.

3.   Повідомлення теми, формування мети та основних завдань.
4.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Механічні хвилі.

Джерелами хвиль є коливні тіла. Якщо таке тіло перебуває в якому-небудь середовищі, коливання передаються частинкам речовини, які містяться в безпосередній близькості до нього. А оскільки частинки речовини взаємодіють одна з одною, то частинки, які колива­ються, передають коливання своїм сусідам. У результаті коливання по­чинають поширюватися в просторі. Так і виникають хвилі.

Хвилею називається процес поширення коливань із часом.

Механічні хвилі в середовищі зумовлені його пружними деформація­ми.

Будь-яка хвиля переносить енергію: адже хвиля – це коливання, які поширюються в  просторі, а будь-які коливання, як нам відомо, мають енергію.

Механічна хвиля переносить енергію, але не переносить речовину.

Основні характеристики хвиль.

Розглянемо хвилю, яка біжить уздовж шнура, коли один його кінець здійснює коливання під дією зов­нішньої сили з періодом Т.

Період Т називається періодом хвилі, а частота ν = 1/Т ча­стотою хвилі. Модуль найбільшого відхилення частинок від положення рівноваги називається амплітудою хвилі.

Відстань між найближчими точками хвилі, які рухаються однаково, називається довжиною хвилі й позначається λ.

Позначимо швидкість поширення хвилі υ, тоді:

λ = T·υ;  ; ; 

 

Поперечні й поздовжні хвилі.

 

 

Хвилі, в яких частинки середовища під час поливань зміщуються в на­прямі, перпендикулярному до напряму поширення хвилі, називаються по­перечними.

Хвилі, в яких частинки середовища під час коливань зміщуються уздовж напряму поширення хвилі, називаються поздовжніми.

?? Наведіть приклади різних видів хвиль.

Плоска та сферична хвилі.

Ми розглянули хвилі, що поширюються уздовж шнура або стрижня, тобто в одному на­прямі (одномірний простір). Тепер перейдемо до розгляду хвиль у триви­мірному просторі. Якщо середовище, в якому поширюється хвиля, не об­межене, то хвилі від джерела можуть поширюватися в усі боки. За умови рівності пружних властивостей середовища в усіх напрямах коливання поширюються в усі боки з однаковою швидкістю.

Геометричне місце точок середовища, які коливаються в одній фазі, називається хвильовою поверхнею.

Передня хвильова поверхня, охоплюючи точки, які щойно набули по­чаткового імпульсу, переміщається в просторі. Це – фронт хвилі.

Звукові хвилі.

Звукові явища виникають у результаті механічних коливань різних тіл. Однак далеко не всі коливання утворюють звук. На­приклад, маятник не викликає звукових коливань, хоча його амплітуда і  може бути достатньо високою,– вона не є основною умовою для виникнення звукової хвилі.

Звукові хвилі – це хвилі, частоти яких лежать у діапазоні від 20 Гц і до20кГц.

Саме такі коливання ми сприймаємо як звук. Звукові хвилі в повітрі – це поздовжні хвилі, тобто розрідження і стискання повітря, що чергуються. Породжуються звукові хвилі яким-небудь тілом, що коливається (голосовими зв'язками, мембраною динаміка, музичними інструментами).

Вухо людини сприймає у вигляді звуку коливання, частоти яких ле­жать у межах від 16–20 Гц до 20 кГц. Такі коливання називаються аку­стичними. Розділ фізики, який вивчає способи збудження звукових хвиль, їх поширення та взаємодію з середовищем, називають акустикою.

Швидкість звуку.

Звукові хвилі, як і всі інші хвилі, поширюються з кінцевою швидкістю, яка називається швидкістю звуку, тобто на поширення коливань від джерела потрібен певний час.

Швидкість звуку в різних середовищах відрізняється в десятки разів. Наприклад, швидкість звуку в повітрі – близько 330 – 340 м/с; різниця значень пов'язана з тим, що ця швидкість трохи збільшується з підвищен­ням температури. У воді швидкість звуку становить приблизно 1500 м/с, а в сталі – 5000 – 6000 м/с.

Коливання середовища під час проходження хвилі є вимушеними. А частота вимушених коливань, як ми вже знаємо, дорівнює частоті зов­нішньої сили. Отже, частота звукових коливань завжди дорівнює частоті коливань тіла, яке є джерелом звуку. А оскільки частота хвилі й довжи­на хвилі пов'язані співвідношенням  , то під час переходу звукової хвилі з одного середовища до іншого змінюється довжина хвилі. Напри­клад, під час переходу до середовища, в якому швидкість звуку більша, довжина звукової хвилі збільшується.

Висота звуку.

Музичний тон – звук, що випромінюється ті­лом, яке гармонічно коливається; коливання однієї частоти. Кожному музичному тону (до, ре, мі, фа, соль, ля, сі) відповідає певна частота та довжина звукової хвилі.

Камертони – джерела звуку чистого тону, використовуються для настроювання музичних інструментів.

Звуки, які можна видобути за допомогою камертона або інших тіл, які гармонічно коливаються, називаються музичними.

Різниця між музичними звуками і шумами різного походження поля­гає в тому, що шумам не відповідає певна частота коливань. Це суміш зву­ків із найрізноманітнішими частотами, що безладно чергуються.

Як відомо, людина, яка має бас, співає низьким голосом, тенор – ви­соким.

?? Від якої ж зі складових характеристик звукової хвилі залежить висота звуку?

Досліди показують, що висота звуку визначається часто­тою звукової хвилі: чим більша частота хвилі, тим звук вищий.

Наприклад, писк комара відповідає 500–600 змахам крилець за се­кунду, дзижчання джмеля – 220 змахам. Коливання голосових зв'язок співаків можуть створювати звуки в діапазоні від 80 до 1400 Гц, хоча в експерименті фіксувалися й рекордно низька (44 Гц) та ви­сока (2350 Гц) частоти.

У телефоні для відтворення людської мови застосовується область ча­стот від 300 до 2000 Гц.

 

 

Тембр звуку.

Звучання однієї й тієї самої ноти у виконанні різних музичних інструментів або голосу відрізняє тембр. Саме за ним ми впізнаємо голос людини та розрізняємо інструменти, що ведуть одну й ту саму мелодію в одній тональності й з однаковою гучністю.

Від чого ж залежить тембр звуку? Виявляється, що будь-яке джерело звуку (за невеликим винятком, наприклад камертон) здійснює складні несинусоїдальні коливання, їх можна спостерігати за допомогою осцило­графа. Якщо підключити мікрофон і проспівати яку-небудь мелодію, то на екрані осцилографа з'явиться не синусоїда, а більш складна крива.

Несинусоїдальне коливання може бути подане у вигляді суми гармо­нічних коливань із різними частотами. Коливання з найменшою частотою називається основним тоном, а коливання з більш високою частотою – обертоном, або гармонікою.

Тембр характеризується наявністю й інтенсивністю обертонів (частот, кратних основній) і визначає забарвленість звуку.

Чаруючий сріблястий відтінок голосів гарних співаків досягається саме завдяки високим обертонам.

Так само завдяки тембру звуки різних музичних інструментів мають різне звучання. Чим більше обертонів, тим більш насичений, красивий добувається звук.

Луна – явище відбивання звукових хвиль від перешкод, що сприймаються вухом як друга зву­кова хвиля, яка відстає в часі від першої. На явищі відбивання звукових хвиль основана дія ехолокаторів, за допомогою яких орієнтуються у просторі живі істоти (дельфіни, кити, кажани), риболовецькі судна.

Акустичний резонанс – явище різкого збіль­шення амплітуди коливань тіла під дією звукової хвилі, коли її частота збігається з власною часто­тою коливань твердого тіла. Використовується в музичних інструментах.

Гучність звуку.

Гучність звуку визначається, в основному, амплітудою звукової хвилі.

Мінімальна зміна тиску, що може фіксуватися людським вухом, ви­значає поріг чутності. Максимальна зміна тиску, яку ще здатна фіксувати людина, визначає больовий поріг.

Одиницею вимірювання гучності є децибел (дБ). У наведеній таблиці зазначена приблизна гучність звуку, з різних джерел.

Джерело звуку	Гучність, дБ
Цокання наручного годинника	10
Тихий шепіт, шурхіт листя	20
Звичайна мова	40 – 60
Гучна мова	80
Голос співака	100
Відбійний молоток	110
Реактивний  двигун	130

Екологічні проблеми акустики

Чинники навколишнього середовища, які згуб­но впливають на здоров'я людини, умовно можна поділити на три групи:

а)  фізико-хімічні (неорганічні): шум, забруднен­ня води, ґрунту, повітря токсичними речовинами, радіація, ультрафіолетова недостатність, електромагнітні поля;

б) біологічні (органічні): патогенні мікроорганізми (віруси, бактерії, гриби);

в) соціально-економічні: низький матеріальний рівень життя, погані житлові умови, демографічні проблеми, шкідливі звички тощо.

 Серед фізичних чинників, що негативно впли­вають на здоров'я, найпоширенішим є шум. Учені встановили, що шум навіть малої інтенсивності призводить до зниження працездатності, гостро­ти слуху, зміни функціональних можливостей кори головного мозку, серцево-судинної та цен­тральної нервової системи. Правову основу за­хисту населення від шуму становлять державні закони України: «Про забезпечення санітарного і епідемічного благополуччя населення», «Про охорону природного навколишнього серед­овища», «Про охорону атмосферного повітря» тощо.

Боротьба із шумом полягає у створенні шумовловлювальних екранів, поглинаючих фільтрів, безшумних механізмів, у зміні технології вироб­ництва та динаміки транспортних потоків. Навіть озеленення території знижує вуличний шум на 25 % і більше.

Припустимі межі сили звуку в різних умовах становлять 45 – 85 дБ. У разі постійного шумового фону 70 дБ виникає розлад ендокринної й нерво­вої систем, 90 дБ – порушується слух, 120 дБ – з'являється фізичний нестерпний біль.

Рекомендовані діапазони шумів усередині при­міщень різного призначення:

•   для сну, відпочинку: 30 –  40 дБ;
•   для розумової праці: 40 – 50 дБ;
•   для виробничих цехів, гаражів, магазинів: 50 – 70 дБ.

Шум впливає на організм людини подібно до отрути, яка повільно накопичується в організмі. Він скорочує тривалість життя на 8 – 12 років. Від тривалого сильного шуму продуктивність розумо­вої праці знижується на 60 %, фізичної – на 30 %.

Шум може бути і корисним для людини. Так, тихий шум шелесту листя, спокійне дзюркотання води, лагідний шум морських хвиль, пташиний спів, спокійна музика заспокоюють людей, сприя­ють виліковуванню хворих.

• Реферат:  “Ультразвукові коливання”
• Реферат:  “Інфразвукові коливання”.

5.   Розв’язання задач.

№ 1. (Зб. № 1.24. )

 У вагоні потяга висить маятник завдовжки 1 м. Під час руху потягу маятник розгойдується від поштовхів на стиках рейок. За якої швидкості потягу маятник розгойдується особливо сильно, якщо довжина ройок 25 м? (Відповідь: 12,5 м/с.)

№ 2.(Зб. № 2.8.)

  Підводний човен сплив на відстані 100 м від берега, здійнявши хвилі на поверхні води. Хвилі дійшли до берега за 20 с, причому за наступні 15с було 30 сплесків хвиль об берег. Чому дорівнює відстань між гребенями сусідніх хвиль? (Відповідь: 2,5 м.)

6.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика 11 клас § 46,47; впр. 24 № 1-4.    –  (на вибір розв’язати будь-які дві задачі)

Впр. 24 № 1. Уздовж пружного шнура поширюється поперечна хвиля зі швидкістю 20 м/с. Період коливання шнура 0,5 с. Знайти довжину хвилі.

Впр. 24 № 2. В океанах довжина хвилі сягає 300 м, а період коливань 15 с. Яка швидкість поширення такої хвилі?

Впр. 24 № 3. За 30 с морська хвиля вдаряється об берег 15 разів. Швидкість поширення хвилі 4 м/с. Яка довжина хвилі?

Впр. 24 № 4. Хвилі набігають на берег озера, і кожні 12 с перетинають берегову лінію 3 рази. Яка швидкість хвилі, якщо відстань між їх гребнями становить 6 м?

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 32

Тема: Коливальний контур. Виникнення електромагнітних коливань у коливальному контурі. Гармонічні електромагнітні коливання. Частота власних коливань контуру.  Резонанс.

 Мета заняття: – актуалізувати знання учнів про вільні та вимушені коливання; 

•     з’ясувати механізм виникнення електричних коливань та проаналізувати перетворення енергії в коливальному контурі;
•     сформувати цілісне уявлення про вільні коливання різної фізичної природи;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1. Актуалізація опорних знань

Фронтальна бесіда:

• що таке коливання?
• Які коливання називаються вільними, а які  вимушеними?

2. Мотивація навчальної діяльності.

Серед різних електромагнітних явищ електромагнітні коливання займають особливе місце. Електроенергія, телебачення, радіо, телефон, радіолокація – це лише окремі приклади застосування електромагнітних коливань.

Досліджуючи електричні коливання серця, мозку людини, лікарі визначають стан здоров’я.

Світло та пов’язані з ним явища також є електромагнітними коливаннями. 

3. Засвоєння нових знань.

Найпростіший коливальний контур.

Найпростіше коло, в якому мо­жуть відбуватися вільні електричні коливання, складається з конденсато­ра і котушки, приєднаної до його обкладок. Активний опір провідників, з яких виготовлено коливальний контур, має бути малим.

Щоб здобути в контурі електромагнітні коливання, достатньо зарядити конденсатор і замкнути його на котушку. При цьому конденсатор дістане енергію , де q – заряд конденсатора, а c – його електроєм­ність.

Під час розрядження конденсатора в колі виникає електричний струм, сила якого не відразу досягає максимального значення, а збільшується поступово. Це зумовлено явищем самоіндукції.

Під час розрядження конденсатора енергія електричного поля зменшу­ється, але водночас зростає енергія магнітного поля струму, яка визна­чається формулою ,

де L – індуктивність котушки, і – миттєве значення сили змінного струму.

Повна енергія електромагнітного поли контуру дорівнює сумі енергій магнітного й електричного полів: .

В момент, коли конденсатор цілком розрядиться, енергія електрично­го поля дорівнюватиме нулю. Енергія ж магнітного поля струму, згідно із законом збереження енергії, буде максимальною. У цей момент сила стру­му також досягне максимального значення І_т .

Як тільки сила струму та створене ним магнітне поле почнуть зменшуватися, виникне вихрове електричне поле, яке підтримуватиме наявність струму. У результаті конденсатор перезаряджатиметься доти, поки сила стру­му, поступово зменшуючись, не дорівнюватиме нулю. Енергія магнітного поля в цей момент також буде дорівнювати нулю, а енергія електричного поля конденсатора знову стане максимальною.

Після цього конденсатор знову почне перезаряджатися й система по­вернеться у вихідне положення. Якби енергія не втрачалася, то цей процес продовжувався б як завгодно довго. Коливання були б незатухаючими.

Аналогія між механічними й електромагнітними коливаннями.

Електромагнітні коливання в контурі мають схожість із вільними меха­нічними коливаннями.  Схожість притаманна не природі самих величин, які періодично змінюються, а процесам періодичної зміни різних величин.

Завдання: Заповнити таблицю: (пропонуються дані одного стовпчика)

Механічні величини	Електричні величини
Координата х	Електричний заряд q
Швидкість V	Сила струму I
Прискорення a	Швидкість зміни сили струму
Маса тягарця т	Індуктивність L
Жорсткість пружини k	Величина, обернена до ємності 1/c
Коефіцієнт тертя μ	Опір R
Сила F	ЕРС  (напруга) E
Потенціальна енергія	Енергія електричного поля
Кінетична енергія	Енергія магнітного поля

Електромагнітні коливання – це періодичні коливання пов’язаних електричного та магнітного полів. При електромагнітних коливаннях відбувається зміна заряду, сили струму та напруги.

Електричний заряд під час вільних коливань змінюється з часом за законом косинуса (або синуса): q=q_mcosωt.

– циклічна частота. – період вільних електромагнітних коливань.

7.   Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до учнів:

• Чи будуть відбуватися електричні коливання в контурі, якщо надати енергії котушці індуктивності, а не конденсатору?
• Чому коливання в коливальному контурі не припиняються в той мо­мент, коли заряд конденсатора дорівнює нулю?
• Чи виникнуть коливання в коливальному контурі, якщо замінити котушку індуктивності на резистор?
• Чому дорівнює енергія контуру в довільний момент часу?
• Які перетворення енергії відбуваються під час вільних незатухаючих коливань у коливальному контурі?
• За якою умови вільні коливання в контурі  були б незатухаючими?

Завдання: Скласти узагальнюючу порівняльну таблицю формул:

Коливання в полі тяжіння	Пружні коливання	Електромагнітні коливання
x=	x=	q=
V =	V =	i =
Vmax =	Vmax =	Imax =
T=	T=	T=

8.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.(Зб.: № 4.5)

Яким є період вільних електромагнітних коливань у контурі, що складається з конденсатора ємністю 400 мкФ і котушки з індуктив­ністю 90 мГн? (Відповідь: 38мс)

№ 2.(Зб.: № 4.25)

Котушку якої індуктивності треба ввімкнути в коливальний контур, що містить  конденсатор ємністю 200 пФ, щоб отримати частоту вільних коливань 5 МГц? (Відповідь: 5мкГн)

 

Достатній рівень:

№ 3.

Електричний заряд, виражений у кулонах, змінюється з часом у такий спосіб: . Чому дорівнюють амплітуда коливань, циклічна частота й період? Знайти миттєве значення заряду (і сили струму) через 0,25с після початку коливань.

№ 4.(Зб.: №4.29)

На рис. показано графік залежності від часу заряду пластини конденсатора коливального контуру. Знайдіть амплітудне значення заряду, частоту й період коливань. Запишіть рівняння залежності q(t). Знайдіть залежність i(t).

Високий рівень: (індивідуальне завдання) (Зб.: № 4.28)

Коливальний контур складається з котушки індуктивністю 120 мкГн і повітряного конденсатора змінної ємності. Відстань між пластинами конденсатора дорівнює 0,2мм, площу перекриття пластин можна змі­нювати від 2 до 8 см². На які частоти можна настроїти даний контур? (Відповідь: від 2,44 МГц до 4,88 МГц)

–  ємність плоского конденсатора; ε₀=8,85·10^-12 Кл/(Н·м²)

9.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика 11 клас § 48; впр. 25 № 2, 4. 

Або: Гончаренко С.У. Фізика: 11 клас: § 20 – 22,  Впр.6 № 3 – середній рівень;

Впр. 6 № 1 – достатній рівень

• Реферат: «Біографія О. С. Попова»
• Самостійно вивчити тему: «Відкриття радіо О.С.Поповим. Принцип дії радіотелефонного зв’язку. Радіомовлення і телебачення. Радіолокація. Стільниковий зв’язок. Супутникове телебачення»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 33

Вид заняття:  комбіноване.

Тема: Утворення і поширення електромагнітних хвиль. Швидкість поширення, довжина і частота електромагнітної хвилі. Електромагнітні хвилі в природі і техніці.

Мета заняття:

 – перевірити знання учнів з теми “Електричні коливання та перетворення енергії в коливальному контурі”;

•     закріпити розуміння учнями вивченого матеріалу;
•     актуалізувати знання учнів про змінні електричне та магнітне поле;
•     з’ясувати механізм виникнення електромагнітних хвиль;
•     познайомити учнів з історією винайдення радіо та найпростішим радіоприймачем;
•     розв’язати задачі різних типів по темі.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Питання поточного контролю:

• У чому полягає роль індуктивності та ємності в коливальному контурі?
• Від чого залежить період вільних електромагнітних коливань у кон­турі?
• Як пов'язана циклічна частота коливань із періодом?

• Задача. (Зб. № 4.24.)

Чому дорівнює діапазон  частот вільних коливань у контурі, якщо його індуктивність можна змінювати від 0,2 до 20 мГн, а єм­ність – від 200 пФ до 0,02 мкФ? (Відповідь: від 8 до 800 кГц.)

2.   Актуалізація опорних знань

Фронтальна бесіда:

• що таке електричне поле?
• що таке магнітне поле?
• чому твердження про існування в даній точці простору тільки електричного або тільки магнітного поля не є цілком визначеним?

Висновок:

Електричне й магнітне поля перетворюються одне на одне під час переходу з однієї інерціальної системи в іншу. Можна сказати, що .розділення поля на електричне й магнітне є відносним і залежить від системи відліку.

3.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Відкритий коливальний контур.

Електричний заряд, який рухається у вакуумі рівномірно, не випромінює енергії.

Тільки заряди, які рухаються із прискоренням, можуть передавати енергію за участі створюваного ними електромагнітного поля.

Будь-яке коло змінного струму ви­промінює енергію. Однак звичайний коливальний контур випромінює вкрай слабко. Це відбувається з двох причин:

1) недостатньо висока частота (інтенсивність випромінювання пропор­ційна частоті в четвертому ступені);

2) хвилі, випромінювані різними ділянками контуру, перебувають у протифазі й гасять одна одну.

Контур, який не випромінює у простір електричної енергії, називаєть­ся закритим.

?? З чого складається закритий коливальний контур?

Щоб зробити випромінювання більш інтенсивним, потрібно суттєво під­вищити частоту. Якщо робити висновки на підставі формули , то для цього треба зменшити  L і С. Зменшення витків в котушці веде до збільшення часто­ти коливань. Щоб коливальний контур добре випромінював електромагнітні хви­лі, необхідно також збільшити об'єм простору, в якому відбувається утворення електромагнітного поля. Для цього контур необхідно розгорнути (зробити відкритим), чого найпростіше досягти розсуванням пластин.

Послідовні фази одержання відкритого коливального контуру:

 

 

 

 

 

 

Електромагнітна хвиля – це процес поширення в просторі з часом вільного електромагнітного поля.

Оскільки в електромагнітній хвилі вектори і змінюються у взаємно пер­пендикулярних площинах, перпендикулярних до напряму їх поширення (див. рис.), електромагнітна хвиля є поперечною хвилею.

Швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі визначаєть­ся виразом:

;       с ≈ 3·10⁸ м/с.

Поширення радіохвиль у просторі.

Під час використання електромагнітних хвиль для радіозв'язку як джерело, так і приймач радіохвиль найчастіше розташовуються поблизу земної поверхні. Форма й фізичні властивості земної поверхні, а також стан атмосфери відчутно впливають на поширення радіохвиль.

Хвилі поширюються різними шляхами. Один із шляхів лежить уздовж поверхні Землі. По ньому поширюється так звана поверхнева (земна) хвиля. Вона порівняно швидко затухає через погли­нання енергії всіма провідниками, які зустрічаються на її шляху.

Форма Землі обмежує дальність прийому поверхневих хвиль. Якби вони поширювалися суто прямолінійно, то радіозв'язок був би можливий тільки на відстані прямої видимості. Але оскільки з висотою електричні й магнітні параметри атмосфери змінюються, поверхнева хвиля залом­люється, відхиляючись до Землі, її траєкторія викривляється і дальність прийому збільшується.

Перешкоди на земній поверхні відбивають радіохвилі. За перешкода­ми може утворюватися радіотінь, куди хвиля не потрапляє. Але якщо дов­жина хвилі достатньо велика, то внаслідок дифракції хвиля обгинає пере­шкоду й радіотінь не утворюється. Потужні радіостанції, що працюють на довгих хвилях, забезпечують зв'язок на декілька тисяч кілометрів. На середніх хвилях зв'язок можливий у зоні до кількох сотень кілометрів. На коротких хвилях – лише в зоні прямої видимості.

На висоті до 100 – 300 км хвилі зустрічаються з шаром, який складається з повітря, іонізованого електромагнітним випромінюванням Сонця, й потоком заряджених частинок, випромінюваних ним. Цей шар називається іоносферою.

Іоносфера відбиває радіохвилі з довжиною хвилі, більшою за 10 м, як звичайна металева пластина. Але здатність іоносфери відбивати й поглинати радіохвилі істотно змінюється в залежності від часу доби й пори року.

Чим менша довжина хвилі, тим глибше хвиля проникає в іоносферу, а отже з більшої висоти відбивається. Корот­кі хвилі поширюються на великі відстані тільки завдяки багаторазовим відбиванням від іоносфери і земної поверхні. Саме за допомогою коротких хвиль на нашій планеті можна здійснити радіозв'язок на будь-яких від­станях.

Діапазони радіохвиль.

Радіохвилі поділяються на: довгі, се­редні, короткі та ультракороткі.

Найменуван­ня хвиль	Діапазон довжин хвиль (м)	Властивості хвиль
Довгі (ДХ)	10 000 – 1000	Поширюються уздовж поверхні земної кулі, мож­ливий стійкий прийом за межами прямої види­мості. У ДХ – діапазоні, не заважаючи одна одній, може працю­вати обмежена кількість радіостанцій.
Середні (СХ)	1000 – 100	Зазнають меншої дифракції біля поверхні Землі й поширюються на менші відстані за межі пря­мої видимості. На умови прийому значно впливають атмосферні перешкоди, час доби.
Короткі (КХ)	100 – 10	Поширюються на великі відстані тільки завдяки багаторазовим відбиванням від іоносфери й по­верхні Землі, тому якість прийому значно залежить від стану іоносфери. Передавання може здійснюватися на далекі відстані передавачами малої потужності.
Ультракорот­кі (УКХ):	10 – 0,001	Поширюються прямолінійно у вигляді вузько напрямленого променя. Широко використовують­ся в радіолокації (легко можуть відбиватися від порівняно малих провідних об'єктів), у косміч­ному радіозв'язку (можуть проходити крізь шар іоносфери з малим поглинанням), у телебаченні.

Виявлення різних об'єктів і визначення їхнього місця розташування за допомогою радіохвиль називають радіолокацією.

Помітне відбивання радіохвиль стається у випадку, коли лінійні розмі­ри цілі перевищують довжину хвилі, на якій працює радіолокатор. Тому радіолокаційні станції працюють у діапазоні дециметрових, сантиметро­вих і навіть міліметрових хвиль.

Принципи радіолокації:

• створення гостронапрямленого радіопроменя;
• відбивання хвиль від об'єкта, який виявляється;
• прийом відбитого сигналу;
• визначення часу між випромінюванням і прийомом радіосигналу для обчислення відстані до виявленого об'єкта : R=ct/2.

4.   Розв’язання задач.

№ 1. (Зб. № 6.22.)

Індуктивність приймального контуру радіоприймача дорівнює 0,5 мГн, а його ємність може змінюватися від 25 до 225 пФ. У яко­му діапазоні довжин хвиль може працювати цей радіоприймач? (Відповідь: від 210 до 030 м.)

№ 2.Максимальна    сила    струму    у    вхідному    контурі    радіоприймача 4мА, максимальна напруга на конденсаторі 0,4 В. Чому дорівнює довжина прийнятих радіохвиль, якщо індуктивність вхідного контуру 17мкГн?

№ 3. (Зб.:  № 6.13.)  Космічний корабель наблизився до Марса. Через який мінімальний час командир корабля може одержати відповідь на своє запитання, адресоване на Землю? Відстань від Землі до Марса під час сеансу зв'язку становить 150 млн. км. (Відповідь: 16хв. 40с.)

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика 11 клас § 49, 51; впр. 26 № 7, 8. 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 34

Тема: РОЗВИТОК УЯВЛЕНЬ ПРО ПРИРОДУ СВІТЛА. ПОШИРЕННЯ СВІТЛА В РІЗНИХ СЕРЕДОВИЩАХ. ДЖЕРЕЛА І ПРИЙМАЧІ СВІТЛА. ПОГЛИНАННЯ І РОЗСІЮВАННЯ СВІТЛА.

Мета заняття:

• перевірити знання учнів по темі «Електромагнітні коливання та хвилі»;
•       познайомити учнів із історією розвитку поглядів на природу світла; хвильовою теорією Гюйгенса, електромагнітною та квантовою теоріями світла;
•       розглянути способи вимірю­вання швидкості світла.

Структура заняття.

1. Повідомлення теми, формування мети та основних завдань.

Ідеї стародавніх філософів.

Питання “Що таке світло?” цікавило ще стародавніх філософів. Більшість з них дотримувалися тієї точки зору, що світло створюється усередині самої людини й випромінюється з її ока. Деякі філософи розглядали світло як матеріальні промені, що сполучають тіло, яке світиться, та людське око. Вони вважали, що відкрите око ви­промінює “флюїди” та “обмацує” ними, ніби найтоншими щупальцями, предмети, які бачить. Інші вважали, що з кожного предмета зриваються оболонки, подібні до самих предметів. Ці “образи”, потрапляючи до ока, викликають відчуття форми й кольору предметів.

2.       Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Корпускулярна теорія світла Ньютона.

Першою науковою теорією, яка намагалася пояснити фізичну природу світла, стала теорія світлових частинок, розроблена І. Ньютоном (1643 – 1727) і викладена ним у книзі «Оптика». Від­повідно до її положень, світло являє собою потік частинок, які випускаються світним тілом у всіх напрямах (перенесення речовини). Виходячи з корпускулярних уявлень Ньютон пояснив більшість відомих тоді оптичних явищ: прямолінійне поширення світла в однорідному середовищі, відбивання та заломлення світла.

Хвильова теорія Гюйгенса.

Відповідно до теорії X. Гюйгенса (1643 – 1695) світло – це хвилі, що поширюються в особливому, гіпотетичному середови­щі – ефірі, який заповнює весь простір і проникає усередину всіх тіл. Гюйгенс не розглядав справжнього хвильового процесу, його міркування стосувалися лише поширення хвильового фронту. Він суто математично описав явище відбивання й заломлення хвиль і показав, що швидкість світла в більш густому середовищі має бути меншою, ніж у повітрі.

У 1801 році Т. Юнг (1773 – 1829) на підставі хвильових уявлень дуже просто й на­очно роз'яснив інтерференцію світла та розвинув, таким чином, хвильову теорію світла.

У 1818 році О. Френель (1788 – 1827) незалежно від Юнга вивів докладну теорію ди­фракції й інтерференції світла, показавши, що інтерференція є прямим наслідком хвильової природи світла.

Остаточний удар по корпускулярній теорії був нанесений дослідами Ж. Фуко. Він виміряв швидкість світла у воді й показав, що її значення збігається з теоретично здобутим у хвильовій теорії.

Хвильова теорія з єдиної точки зору пояснила усі відомі тоді явища й передбачила низку нових.

Понад сто років корпускулярна й хвильова гіпотези про природу світла існували паралельно. Жодна з них не могла здобути вирішальної перемо­ги. Лише авторитет І. Ньютона змушував більшість учених віддавати пере­вагу корпускулярній теорії.

Електромагнітна теорія світла.

У другій половині XIX століття Дж. Максвелл (1831 – 1879) довів, що світло являє собою окремий вид електромагнітних хвиль. Його роботи заклали підґрунтя електромагнітної теорії світла. Після експериментального виявлення електромагнітних хвиль Г. Герцем не залишилося ніяких сумнівів у тому, що під час поширення світло «поводиться» як хвиля.

У 1899 році П. М. Лебедєв навів новий доказ тотожності світлових і електромагнітних хвиль. Він виявив дослідним шляхом, що світло тисне на тіла, на які падає, й виміряв цей тиск. За теорією Максвелла електро­магнітні хвилі також чинять подібний тиск.

Таким чином, у другій половині XIX століття була заснована електро­магнітна теорія світла.

Квантова теорія світла.

У 1900 році німецький фізик М. Планк припустив, що атоми тіл поглинають і випромінюють енергію скінченими порціями – квантами.

У 1905 році А. Ейнштейн (1879 – 1955) припустив, що світло поширюється в просторі у вигляді дискретних об'єктів – квантів світла.

Таким чином, були виявлені квантові властивості світла.

Корпускулярно-хвильовий дуалізм.

Виникла надзвичайна ситуація: явища інтерференції та дифракції, як і раніше, можна було пояснити, вважаючи світло хвилею, а явища випромінювання й поглинання – вва­жаючи світло потоком частинок. Досліди О. Г. Столєтова (1839 - 1896) з фотоефекту також показали, що світло поводить себе як потік частинок.

У результаті численних обговорень, пошуків і досліджень виникла су­часна теорія світла, що є синтезом корпускулярної та хвильової теорій. В основі цієї теорії лежить думка, що світло одночасно має і хвильові, й корпускулярні властивості.

Принцип Гюйгенса.

 Геометричне місце точок середовища, що коливаються в одній фазі, називається хвильовою поверхнею.

Передня хвильова поверхня, охоплюючи точки, які щойно дістали по­чатковий імпульс, переміщається в просторі. Це фронт хвилі.

Наприклад, фронт хвилі, який збуджується одиночним вібратором невеликих роз­мірів, має форму кола.

Напрям поширення хвилі завжди перпендикулярний до її фронту. Цей напрям називається променем. Він указує напрям енергії, що переносить­ся хвилею.

Голландський фізик X. Гюйгенс знайшов простий геометричний спосіб знаходження фронту хвилі в момент часу t=∆t, якщо відомо його поло­ження в момент t.

!! Принцип Гюйгенса: кожна точка фронту хвилі може розглядатися як джерело вторинних хвиль. Нове положення фронту хви­лі зображається як обвідна цих вторинних хвиль.

Швидкість світла у вакуумі. Методи вимірювання швидкості світла.

У фізиці швидкість світла є однією з фундаментальних констант. Жодна константа не набула такого важли­вого значення, як швидкість світла: як параметр вона входить у численні рівняння теоретичної фізики, її значення використовується в радіолока­ції, при вимірюванні відстаней від Землі до інших планет, під час керу­вання космічними польотами. Виразити швидкість світла через інші сталі неможливо, її можна тільки виміряти дослідним шляхом.

Швидкість світла є скінченною, граничною та інваріантною щодо різ­них інерціальних систем відліку.

Самостійна  робота учнів з підручником:

Гончаренко С.У. Фізика Фізика 11 кл. § 51

Завдання:

• Ознайомитися з астрономічним та лабораторним методами вимірювання швидкості світла.
• Намалювати схему установки або пояснювальний рисунок.
• Описати метод вимірювання швидкості світла.

Питання:

• В чому переваги та недоліки кожного з методів?
• З якою точністю дозволяє кожен з методів виміряти швидкість світла?

Висновок:

Швидкість світла є скінченною, граничною та інваріантною щодо різ­них інерціальних систем відліку.

Лабораторні методи:

1849 рік фран­цузький фізик А. Фізо: с = 313 000 км/с.

1926 рік – американський фізик А. Майкельсон запропонував один з найбільш точних лабораторних методів (метод із застосуванням обертових дзеркал).

На центробіжній машині закріплений барабан із дзеркальними гранями, кількість яких – k. Світло від ліхтаря Л спрямовано на грань, відбиваючись від неї та дзеркал, потрапляє в трубу спостерігача Т. Відстань від барабана до дзеркал З₁ та З₂ l=35км. Після налагодження системи, барабан починали обертати і зображення ліхтаря зникало. Якщо збільшувати поступово швидкість обертання, то зображення знову з’являлося.   Це означало, що поки світло від ліхтаря дійшло до спостерігача, барабан встиг обернутися на одну грань. Швидкість світла можна визначити за формулою: c = 2l/t=2lnk/60=lnk/30, де n – кількість обертів барабана за хвилину. Майкельсон отримав результат с = 299796 ± 4км/с.

За сучасними даними, швидкість світла у вакуумі дорівнює с=299 792 458 м/с із точністю ± 1,2м/с.

3.     Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до учнів:

• У чому полягає корпускулярна теорія світла Ньютона.
• У чому полягає хвильова теорія Гюйгенса.
• У чому полягає електромагнітна теорія світла.
• У чому полягає квантова теорія світла.
• У чому полягає корпускулярно-хвильовий дуалізм.
• Які методи вимірювання швидкості світла ви знаєте.
• Сформулюйте принцип Гюйгенса.

Задача.

Сонячного ранку постать людини зростом 180 см відкидає тінь зав­довжки 45 см, а дерево – тінь завдовжки 3 м. Чому дорівнює висота дерева? (Відповідь: 12м)

4.      Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика 11 клас § 52, 53, Гончаренко С.У. Фізика: 11 клас: § 51, знати конспект.  

Задача.

Сонце заходить за пагорб, па вершині якого стоїть поодинока сосна заввишки 30 м. На якій відстані від сосни перебуває людина, якщо їй здається, ніби висота сосни дорівнює діаметрові сонячного диска? R_с=6,95·10⁸м, відстань від Землі до Сонця 1,49·10¹¹м. (Відповідь: 3,2 км.)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 35

Тема: Відбивання світла. Заломлення світла. Закони заломлення світла.

Мета заняття:

• перевірити знання учнів по темі «Природа світла»;
• повторити із учнями закони геометричної оптики, до­повнивши й поглибивши їх;
• розв’язати задачі різних типів та ступенів складності на застосування законів відбивання та заломлення світла.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Питання поточного контролю:
  • Корпускулярна теорія світла Ньютона.
  • Хвильова теорія Гюйгенса.
  • Електромагнітна теорія світла.
  • Квантова теорія світла.
  • Корпускулярно-хвильовий дуалізм.
  • Які методи вимірювання швидкості світла ви знаєте?

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

На з'ясування природи світла знадобилося не одне тисячоліття. За цей час багато різних гіпотез змінили одна одну. Оптика (від грец. optike – наука про зорові сприйняття) спо­чатку розглядалася як наука про зір.

Оптика являє собою розділ фізики, в якому вивчаються явища та закономірності, пов'язані з виник­ненням, поширенням і взаємодією з речовиною електромагнітних хвиль видимого діапазону.

Геометричною оптикою називається розділ оптики, в якому ви­вчаються закони поширення світлової енергії в прозорих середовищах на основі уявлення про світловий промінь.

Геометрична оптика базується на трьох законах:

•     закон прямолінійного поширення світла;
•     закон відбивання світла;
•     закон заломлення світла.

Основними поняттями геометричної оптики є пучок і промінь.

У першому наближенні пучок променів – це сукупність світлових про­менів.

У сучасній фізиці під світловим променем розуміють достатньо вузький пучок світла, який у межах зони, в якій вивчається його поширення, можна вважати не розбіжним.

Оскільки світло, як і будь-яке випромінювання, переносить енергію, то можна говорити, що світловий промінь указує напрям перенесення енер­гії світловим пучком.

Закон прямолінійного поширення світла.

!! Світло в оптично однорідному середовищі поширюється прямолі­нійно.

Оптично однорідним вважається таке середовище, в якому світло поши­рюється зі сталою швидкістю. Якщо є два середовища, в яких світло поши­рюється з різними швидкостями, то середовище, де світло поширюється з меншою швидкістю, називають оптично більш густим, а середовище, де світло поширюється з більшою швидкістю, –  оптично менш густим.

?? Наведіть приклади явищ, які підтверджують цей закон.

Тінь – область простору, до якої не потрапляє енергія від джерела світла (або інакше: область простору, з якої не можна побачити джере­ло світла).

Якщо джерело світла протяжне, то на екрані навколо тіні утвориться півтінь.

Півтінь – область простору, до якої енергія від джерела світла потрапляє частково (або інакше: область простору, з якої джерело світла можна побачити лише частково).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Мал.1 Утворення тіні та півтіні

 

Утворенням тіні й півтіні пояснюються сонячні й місячні затемнення.

?? Поясніть ці явища з точки зору геометричної оптики.

Пояснення: Під час сонячного затемнення повна тінь від Місяця падає на Землю. З цьо­го місця земної поверхні Сонця не видно. Коли Місяць, обертаючись нав­коло Землі, потрапляє в її тінь, то спостерігається місячне затемнення.

У тих місцях планети, куди впала тінь, буде спостерігатися повне со­нячне затемнення. У місцях півтіні тільки частина Сонця буде закрита Місяцем, тобто відбудеться його часткове затемнення.

В залежності від форми поверхні, на яку падає світло, відбивання буває: дзеркальним (мал. а.) та  дифузним (мал.б):

 

Закон відбивання світла.

З відбиванням світла ми стикаємося що­дня: день у день кожний із нас дивиться па себе в дзеркало; ми бачимо на спокійній поверхні води зображення Сонця й Місяця, дерев і хмар. Це приклади дзеркального відбиття світла.

Під час поділу світлового пучка виконується за­кон збереження енергії.

Нехай світловий промінь падає на межу розділу двох середовищ.  Лінія МN – пер­пендикуляр до межі поділу двох середовищ. Промінь SO – падаючий; про­мінь OS₁ – відбитий; промінь OS₂ – заломлений. Кутом падіння (α) на­зивається кут між падаючим променем і перпендикуляром, опущеним  у точку падіння. Кутом відбивання (β) називається кут між відбитим променем і тим самим перпендикуляром. Кутом заломлення (γ) називається кут між заломленим променем і перпендикуляром МN.

Закон відбивання світла, як і закон прямолінійного поширення світла, відкритий давньогрецьким ученим Евклідом.

 Зако­н відбивання світла:

• промінь падаючий і промінь відбитий лежать в одній площині з перпендикуляром, опущеним до відбиваючої поверхні у точці падіння;
• кут падіння дорівнює кутові відбивання:   α = γ

Задача (усно):

Чому дорівнює кут падіння променя на плоске дзеркало, якщо кут між падаючим і відбитим променями 60° ?

Закон заломлення світла.

При попаданні променя на межу розділу двох прозорих середовищ одночасного з відбиванням спостерігається й заломлення світла.

Заломлення світла пояснюється зміною швидкості поширення світла під час його переходу з одного середовища в інше.

Історики науки приписують експериментальне відкриття закону залом­лення світла в його сучасному вигляді голландському вченому В. Снелліусу (1621 р), однак, теоретичне обґрунтування цього закону було здійснене французьким фізиком і математиком Р. Декартом (1630 р).

 Закон заломлення світла:

• промінь падаючий і промінь заломлений лежать в одній площи­ні з перпендикуляром, встановленим до межі розділу двох середовищ у точці падіння;
• відношення синуса кута падіння до синуса кута заломлення для да­них двох середовищ є величина стала, залежна тільки від оптичних властивостей цих середовищ і називається відносний показник заломлення другого середовища відносно першого: .

Показник заломлення відносно вакууму називається абсолютним.

Абсолютний показник заломлення середовища показує, у скільки разів швидкість поширення світла в даному середовищі менша за швидкість світла у вакуумі: .

Якщо υ₁, υ₂ – швидкості поширення світла відповідно в 1-му та 2-му середовищі, то: , де n₁, n₂ – абсолютні показники заломлення.

Таким чином, відносний показник заломлення світла показує, у скільки разів відрізняються швидкості поширення світла двох середовищах.

Чим більшим є абсолютний показник заломлення середовища, тим менша швидкість поширення в ній.

Середовище, у якому швидкість світла менша, називається оптично більш густим середовищем.

Показники (коефіцієнти) заломлення

Речовина	n	Речовина	n
Алмаз	2,42	Кварц	1,54
Анілін	1,59	Повітря	1,0003
Ацетон	1,36	Скипидар	1,51
Бензол	1,50	Спирт метиловий	1,33
Вода	1,33	Спирт етиловий	1,36
Гліцерин	1,47	Скло	1,61,8
Кам’яна сіль	1,54	Цукор	1,56

Задача.

Намалювати можливий хід променя на межі середовищ: повітря – вода, скло – гліцерин, алмаз – вода.

Проблемна задача.  Промінь світла падає з води на межу розділу вода –повітря під кутом 55°. Знайдіть кут заломлення променя в повітрі.

Під час розв’язання виявляється, що sin γ = 1,0895, але синус не буває більший за одиницю! Отже, у нас виник парадокс.

Розглянемо ситуацію, коли промінь падає із оптично більш густого середовища в оптично менш густе. Наприклад, скло – повітря (див. рис.) α < γ. При певному значенні α₀ кут γ → 0.

 Повне внутрішнє відбивання – явище відбивання світла від оптично менш густого середовища, за якого заломлення відсутнє, а інтенсивність відбитого світла практично дорівнює інтенсивності падаючого.

Граничний кут α₀ – мінімальний кут падіння світла, починаючи з якого виникає явище повного внутрішнього відбивання.

Знайдемо α₀: sinγ=sin90°=1, звідси, .

Якщо ІІ середовище – вакуум (повітря), то .

Застосування повного відбивання світла.

Повне відбивання застосовують у волоконній оптиці для передачі світла та зображення по пучках прозорих гнучких волокон – світловодів. За рахунок багаторазового пов­ного відбивання світло може бути спрямоване по будь-якому (прямому чи вигнутому) шляху.

Волоконно-оптичні пристрої використовуються в медицині як ендоско­пи – зонди, які вводяться в різні внутрішні органи для безпосереднього візуального спостереження.

У наш час волоконна оптика витісняє металеві провідники в системах передачі інформації.

3.   Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до учнів:

• У чому полягає закон прямолінійного поширення світла?
• У чому полягає закон відбивання світла?
• У чому полягає закон заломлення світла?

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень: 

№ 1. (Гладкова: №24.34)

Знайти граничні кути повного відбивання для води, алмазу. (Відповідь: 49°, 24°)

№ 2.(Гладкова: №24.20)

Промінь світла переходить із води в скло з показником заломлення 1,7. Знайти  кут падіння променя, якщо кут заломлення дорівнює 28°. (Відповідь: 37°)

Достатній рівень:

№ 3.(Гладкова: №24.14)

Швидкість поширення світла в деякій рідині становить 240·10³ км/с. На поверхню цієї рідини падає промінь під кутом 25°. Знайти кут відбивання та заломлення променя. (Відповідь: 20°)

№ 4.(Гладкова: №24.17)

Промінь світла падає на поверхню рідини під кутом 40° та заломлюється під кутом 24°. При якому куті падіння кут заломлення буде 20°?  (Відповідь: 33°)

Високий рівень:

• (Гладкова: №24.22)

Знайти кут падіння променя в повітрі на поверхню води, якщо кут між заломленим та відбитим променями дорівнює 90°. (Відповідь: 53°)

• (Гладкова: №24.31)

На дні струмка лежить камінчик. Хлопчик хоче штовхнути його пал­кою. Прицілюючись, хлопчик тримає палку під кутом 45° . На якій відстані від камінчика застромиться палка у дно струмка, якщо його глибина 32 см? (Відповідь: 12см)

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика 11 клас § 53, 55 впр. 28 № 1, 3

 

 

План заняття № 36

Тема: Світло як електромагнітна хвиля. Когерентність світлових хвиль. Інтерференція світла. Шкала електромагнітних хвиль.

Мета заняття:

•     перевірити знання учнів по темі «Геометрична оптика»;
•     ввести поняття когерентних джерел світла, ознайомити учнів зі способами одержання системи коге­рентних хвиль;
•     вивчити явище інтерферен­ції світла та з'ясувати умови її спостереження;
•     навести приклади прояву інтерференції в природі та її використання в техніці;
•     ознайомитися зі шкалою електромагнітних випромінювань;
•     розв’язати задачі по темі.

Структура заняття.

1.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Демонстрація 1.

За допо­могою двох проекційних апаратів на екрани проектуються два різні діа­позитиви. У разі взаємного перетинання-світлових пучків зображення на екранах не спотворюються. Вони будуть такими самими, як під час про­ектування кожного кадру окремо. У цьому й полягає принцип незалежно­сті світлових пучків.

Світлові пучки, зустрічаючись, не впливають один на одного.

Досліди показують, що хвилі підкоряються принципові суперпозиції: хвилі не взаємодіють одна з одною та поширюються незалежно одна від одної.

Інтерференція хвиль.

Оскільки хвилі не взаємодіють одна з одною, то кожна частина простору, куди надходять дві або кілька хвиль, братиме участь у коливаннях, викликаних кожною хвилею окремо.

Щоб знайти результуючий зсув у даній точці простору, треба знайти зсув, викликаний кожною хвилею, а потім скласти їх.

Додавання в просторі хвиль, за яких утворюється постійний у часі роз­поділ амплітуд результуючих коливань, називається інтерференцією.

Інтерференцією хвиль називається явище підсилення коливань в одних точках простору та ослаблення а інших у результаті додавання двох або більше когерентних хвиль, які надходять у ці точки.

Когерентність хвиль.

Інтерференція – загальна властивість хвиль будь-якої природи. Стійка в часі інтерференційна картина може спосте­рігатися тільки у разі додавання когерентних коли­вань.

Когерентні (зв'язані) хвилі – це хвилі, що мають однакову частоту та незмінний зсув фаз у кожній точці простору.

Когерентні джерела – це джерела, що мають однакову частоту та незмінний зсув фаз у часі.

Незважаючи на те що умова когерентності залишається однаковою для і   хвиль різної фізичної природи, способи здійснення когерентності, наприклад, для джерел звуку та джерел світла, були зовсім різними. Для одержання когерентних звукових хвиль можна скористатися двома незалеж­ними джерелами звуку, що здійснюють коливання зі сталою різницею фаз. Незалежні ж джерела світла (крім оптичних квантових генераторів)не дають когерентних хвиль.

Причина полягає в тому, що атоми джерел випромінюють світло неза­лежно один від одного окремими «обривками» (цугами) синусоїдальних хвиль. І такі цуги хвиль від обох джерел накладаються один на одного. У результаті амплітуда коливань у будь-якій точці простору хаотично змінюється з часом. Отже, ці цуги некогерентні. Ніякої стійкої картини з певним розподілом максимумів і мінімумів освітленості не спостеріга­ється.

Інтерференція світла.

Для одержання двох когерентних світлових хвиль можна випромінювання від одного й того самого атома розділити шляхом відбивання або заломлення на два пучки.

Демонстрація 2.

Спостереження інтерференції світла від двох щілин. (Коршак Е.В. Фізика 11 кл. стор. 179, мал. 4.16)

Демонстрація 3.

Кільця Ньютона.

Когерентність хвиль, відбитих від зовнішньої та внутрішньої повер­хонь плівки, пояснюється їх належністю до одного й того самого світ­лового пучка.

Якщо джерела когерентні та синфазні (тобто збігаються за фазою в часі), то в точках середовища, куди хвилі надходять, збігаючись за фа­зою, утвориться максимум інтерференційної картини.

Максимуми та мінімуми інтерференції

Умова максимуму: амплітуда коливань середовища в даній точці максимальна, якщо різниця ходу двох хвиль, які збуджують коливання в цій точці, дорівнює цілому числу довжин хвиль: , де – різниця ходу двох хвиль, а k = 0, 1, 2, ... .

Умова мінімуму: амплітуда коливань середовища в даній точці мінімальна, якщо різ­ниця ходу двох хвиль, які збуджують коливання в цій точці, дорівнює не­парному числу півхвиль:  .

Технічне застосування інтерференції.

Явище інтерференції світла знаходить різноманітне практичне застосування. Використовуючи це явище, можна дуже точно визначати довжини світлових хвиль, вимірю­вати показники заломлення газів та інших речовин, здійснювати точні вимірювання лінійних розмірів, контролювати якість шліфування й по­лірування поверхонь та ін.

Шкала електромагнітних хвиль  – неперервна послідовність ча­стот і довжин хвиль електромагнітних випромінювань.

Прийнято виділяти низькочастотне радіо- та γ-випромінювання, інфрачервоні, ультрафіолетові та рентгенівські промені, видиме світло.

Принципової різниці між цими видами випромінювання немає. Всі вони являють собою електромагнітні хвилі, збуджувані зарядженими ча­стинками. Випромінювання різної довжини хвилі відрізняються одне від одного за способами їх одержання і методами реєстрації.

Висновок 1: низькочастотні хвилі, радіохвилі, інфрачервоне, видиме, ультрафіолетове, рентгенівське та γ-випромінювання мають спільну при­роду. Вони являють собою процес поширення у просторі швидкозмінних електричних і магнітних полів. Незважаючи на спільну природу електро­магнітні хвилі мають різні властивості. Уся сукупність електромагнітних хвиль являє собою величезний безперервний спектр.

Висновок 2: у міру переходу від більш довгих хвиль (малих частот) до більш коротких (великих частот) хвильові властивості електромагнітного випромі­нювання проявляються слабше, а квантові – сильніше.

2.   Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до учнів:

• Що є наслідком взаємодії хвиль?
• Чому явище інтерференції від двох незалежних джерел світла спостері­гати не можна?
• Яким чином можна одержати когерентні світлові хвилі?
• Чим зумовлюється райдужне забарвлення тонких нафтових плівок?

 Робота з підручником: Гончаренко С.У. Фізика 11 клас § 57 – зробити конспект:

1.   Просвітлення оптики.
2.   Перевірка якості обробки поверхонь.
3.   Інтерферометри.

3.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.(Впр. 13 № 1)

В деяку точку простору надходять дві когерентні хвилі з різницею ходу 2 мкм. Визначте, підсилиться чи ослабне світло в цій точці, якщо довжина хвиль дорівнює 760 нм; 600 нм; 400 нм?

Практичні задачі: Впр. 14 № 1, 2, 3, 4.

Обладнання: мильний розчин, соломинка, дротяний каркас, відполіровані скляні пластинки, лезо бритви, ганчірка, сірники, кольорові олівці.

4.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

•        Гончаренко С.У. Фізика: 11 клас: § 54 – 57, впр. 13 № 2.

• Підготувати повідомлення на тему:

•     Надточне визначення розмірів тіл методом інтерференції.

Визначення еталона 1 м у довжинах світлових хвиль.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 37

Тема: Дифракція світла. Дифракційна решітка.

Мета заняття:

– перевірити знання учнів по темі “Інтерференція світла”;

•     вивчити поняття дифракції світла;
•     вивести рівняння дифракційної решітки;
•     розв’язати задачі по темі.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Питання поточного контролю:

• через що найтонші плівки крил бабки під час освітлення білим світлом забарвлюються в райдужні тони?
• що розуміють під інтерференцією хвиль? за яких умов вона спостерігається?
• які хвилі називаються когерентними?
• наведіть приклади практичного засто­сування інтерференції.

2.   Мотивація навчальної діяльності.

Проблемна задача:

Явище огинання механічними хвилями перешкод ми спостерігали ба­гато разів у житті. Так, морські хвилі вільно огинають камінь у води. За каменем хвилі поширюються так, ніби його й не було. Здатність до оги­нання перешкоди мають і звукові хвилі. Чому ми можемо чути сигнал автомо­біля за рогом будинку, але самого автомобіля не бачимо?

3.   Засвоєння нових знань.

Дифракція світла. Експеримент Томаса Юнга

Розглядаючи хвилі на поверхні води від двох кинутих каменів, можна помітити, як, накладаючись один на одного, хвилі можуть інтерферувати, тобто гасити або підсилювати одна одну. Ґрунтуючись на цьому, англійський фізик і лікар Томас Юнг поставив в 1801 році досліди з променем світла, який проходив через два отвори в непрозорому екрані, утворюючи, таким чином, два незалежних джерела світла, аналогічних двом кинутим у воду каменям. У результаті він спостерігав інтерференційну картину, що складається з темних і білих смуг, яка не могла б утворитися, якби світло складалося з корпускул. Темні смуги відповідали зонам, де світлові хвилі від двох щілин гасять один одну. Світлі смуги виникали там, де світлові хвилі підсилювалися. Таким чином, було доведено хвильову природу світла.

Дифракція – це явище огинання світлом меж непрозорих тіл: кра­їв отворів, вузьких щілин й екранів, тобто порушення прямолінійності світла.

 Пропускаючи тонкий пучок світла крізь маленький отвір, можна спостерігати порушення закону прямолінійного поширення світла. Досліди Т.Юнга, дослідження О.Френеля, принцип X.Гюйгенса дали пояснення прямолінійному поширенню світла в однорідному середовищі на основі хвильової теорії.

Відповідно до ідеї Френеля хвильова поверхня в будь-який момент часу являє собою не просто обвідну вторинних хвиль, а результат їхньої інтер­ференції.

Дифракція світла визначає межі застосовності геометричної оптики. Виявляється, закон прямолінійного поширення світла й інші закони гео­метричної оптики виконуються досить точно лише в тому випадку, коли розміри перешкод на шляху поширення світла набагато більші за довжину світлової хвилі. Огинання світлом перешкод обмежує розділювальну здатність найважливіших оптичних інструментів – телескопа й мікро­скопа.

Дифракційна решітка.

Дифракційна решітка – скляна тонка пластинка, на яку нанесено па­ралельні штрихи з проміжками між ними. Ширина щілини й штриха по­значається d і називається сталою решітки (або періодом решітки).

Дифракційна решітка служить для розкладання світла в спектр і ви­мірювання довжини хвилі. Якщо на дифракційну решітку падає плоска монохроматична хвиля довжиною λ, то відповідно до принципу Гюйгенса – Френеля кожну точку фронту хвилі можна прийняти за джере­ло вторинних хвиль, які поширюються в усі боки.

Нехай вторинні хвилі, що йдуть під кутом φ, в результаті інтерференції підсилюються. Тобто для них виконується умова максимуму: , де – різниця ходу двох хвиль, а k = 0, 1, 2, ... – порядок спектру. З трикутника АВС: . Таким чином, рівняння дифракційної решітки матиме вигляд: .

Звідси випливає, що положення максимумів світла залежить не від числа щілин, а тільки від довжини хвилі. Чим менша довжина хвилі ви­промінювання, тим меншому значенню кута відповідає положення мак­симуму. Таким чином, видиме оптичне випромінювання розтягується в спектр так, що внутрішнім краєм його є фіолетове оптичне випроміню­вання, а зовнішнім – червоне.

4.   Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до учнів:

•                                                    Що називається дифракцією?
•                                                    Чи залежить положення головних максимумів дифракційного спектра від кількості щілин решітки?
•                                                    Чому дифракційні спектри всіх порядків починаються з фіолетової смуги, а закінчуються червоною?
•                                                    Чи можна створити оптичний мікроскоп, який дозволив би роз­глядати атоми?

5.   Розв’язання задач.

Достатній рівень:

№ 1.  Дифракційна решітка має 100 штрихів на 1 мм. Під якими кутами вид­но максимуми першого й другого порядків монохроматичного випромінювання з довжиною хвилі 400 нм? (Відповідь: 24°; 54°)

№ 2.  Знайдіть найбільший порядок спектра для жовтої лінії натрію з довжиною хвилі 589 нм, якщо період дифракційної решітки 2 мкм. (Відповідь: 3)

№ 3.  (Зб. Гладкова № 25.36)

Дифракційна решітка, що має 100 штрихів на 1 мм, віддалена від екрана на 1,8 м. На якій відстані від центральної щілини знаходиться перший максимум освітленості, якщо на решітку падає монохроматичне світло з довжиною хвилі 410 нм? (Відповідь: 7,4 см)

№ 4.  (Зб.: № 7.24) Дифракційну решітку, що має 50 штрихів на 1 мм, освітлюють білим світлом (довжини хвиль від 400 нм до 780 нм). Чому дорівнює ширина спектра першого порядку на екрані, віддаленому від решіт­ки на 4 м?

(Відповідь: 7,6 см)

6.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

• Коршак Є.В. Фізика 11 клас § 58 впр. 30 № 4

Або: Гончаренко С.У. Фізика: 11 клас: § 58 – 60, впр. 15 № 2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 38

Тема: Квантові властивості світла. Гіпотеза М. Планка.

Світлові кванти. Рівняння фотоефекту. Застосування фотоефекту.

Мета заняття:

•     познайомити учнів із історією зародження квантової теорії;
•     дати уявлення про фотоефект і вивчити його зако­ни;
•     розв’язати задачі різних типів та рівнів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Актуалізація опорних знань

Фронтальна бесіда:

• У чому суть квантових уявлень про поширення й поглинання світла?
• Які факти свідчать про наявність у світла хвильових властивостей?
• Які факти свідчать про наявність у світла корпускулярних властиво­стей?

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Гіпотеза Планка.

В 1900 році М. Планк висунув теорію  про квантовий характер випромінюваної енергії: енергія випромінювання складається з окремих малих і неподільних частин – квантів. Енергія такого кванта визначалася величиною Е = h·ν , де h – стала Планка.

За сучасними даними h =6,626·10^–34 Дж·с .

Гіпотеза Планка отримала подальший розвиток в роботах Ейнштейна. Електромагнітна хвиля не тільки випромінюється, але і поширюється і поглинається у вигляді потоку квантів. Квант світлової енергії називається фотон.

Після відкриття Планка почала розвиватися нова, найсучасніша та глибока фізична теорія – квантова теорія. Розвиток її не закінчився й до­тепер.

Енергію кванта можна виразити в джоулях або в електрон-вольтах:

1еВ=1,6·10^–19 Дж

Фотоефект. Закони фотоефекту.

Фотоефект був відкритий 1887 року Г. Герцем, а потім досліджений експериментальне російським ученим А. Г. Столєтовим.

Фотоефект –  явище виривання електронів із твердих і рідких речо­вин під дією світла.

Якщо вирвані електрони вилітають за межі речовини, фотоефект на­зивається зовнішнім.

Закони фотоефекту були експериментально встановлені професором Московського університету А. Г. Столєтовим:

• сила фотоструму насичення прямо пропорційна інтенсивності світ­ла, що падає на катод;
• максимальна початкова швидкість фотоелектронів не залежить від ін­тенсивності падаючого світла, а визначається тільки його частотою;
• для кожної речовини існує мінімальна частота світла, називана червоною межею фотоефекту, нижче за яку фотоефект неможливий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 1: Схема експериментальної установки для вивчення фотоефекту.

 

В експерименті використовувався скляний вакуумний балон з двома металевими електродами, поверхня яких була ретельно очищена. До електродів прикладалась деяка напруга U, полярність якої можна було міняти за допомогою подвійного ключа. Один з електродів (катод K) через кварцове віконце освітлювався монохроматичним світлом з довжиною хвилі λ, и при незмінному світловому потоці досліджувалась залежність сили фотоструму I від прикладеної напруги (рис. 2).

Залежність сили фотоструму від прикладеної напруги. Крива 2 відповідає більшій інтенсивності світлового потоку. I_н1 и I_н2 – струми насичення, U_з – запираюча напруга.

 

 

Рівняння Ейнштейна для фотоефекту має вигляд:  Е_ф=А_вих +Е_к, де  Е_ф=h·ν =hc/λ – енергія поглиненого фотона; А_вих – робота виходу електрона з металу; Е_к= (m_eυ²)/2 – кінетична енергія, з якою електрон залишає поверхню металу.

Рівняння Ейнштейна можна розглядати як вираження закону збере­ження енергії для одиничного акту взаємодії фотона з електроном.

Е_к=U_З·e, де е – заряд електрона.

Червона границя фотоефекту – мінімальна частота або максимальна довжина падаючої хвилі, за якої все ще спостерігається фотоефект: 

h·ν_min = А_вих ;    ν_min = А_вих/h.

Або: hc/λ_max = А_вих:    λ_max=hc/А_вих

 

Зовнішній фотоефект – випускання електронів із поверхні металу під дією світла. Прилади, в основі принципу дії яких лежить явище фото­ефекту, називаються фотоелементами. У фотоелементах енергія світла керує енергією електричного струму або перетворюється на неї.

3.   Узагальнення та систематизація знань.

Заповнити узагальнюючу таблицю:

Назва	Формула або значення
рівняння фотоефекту (Ейнштейна )	Еф=Авих +Ек
енергія фотона	Еф=h·ν ; Еф =hc/λ
кінетична енергія фотоелектронів	Ек= (meυ2)/2; Ек=UЗ·e
червона границя фотоефекту	νmin = Авих/h; λmax=hc/Авих
маса фотона	mф=Еф/с2; mф=h·ν/с2; mф=h/(λ·с)
імпульс фотона	p=mф·с;  p=h·ν/с; p=h/λ
стала Планка	h =6,626·10–34 Дж·с
швидкість світла в вакуумі	с = 3 · 108 м/с
заряд електрона	е=1,6 · 10–19 Кл
маса електрона	me=9,31 · 10–31 кг

Робота виходу з металу.

Метал	А, еВ	Метал	А, еВ
Барій	2,4	Натрій	2,35
Вольфрам	4,5	Нікель	4,5
Галій	4,0	Платина	5,3
Залізо	4,3	Ртуть	4,5
Золото	4,3	Срібло	4,3
Літій	2,4	Цезій	1,8
Мідь	4,4	Цинк	4,24

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1. Фотосинтез у зелених листках рослин інтенсивно відбувається під час поглинання червоного світла з довжиною хвилі 680 нм. Обчисліть енергію відповідних фотонів. Поясніть походження зеленого кольору листків.

№ 2. Впр. 16 № 1

Робота виходу електронів із ртуті дорівнює 4,53 еВ. Чи виникатиме фотоефект під час освітлення ртуті видимим світлом? (Відповідь: так)

№ 3. Визначте червону межу фотоефекту для платини. (Відповідь: 234 нм)

Достатній рівень:

№ 4. Впр. 16 № 4

Фотони з енергією 5 еВ виривають фотоелектрони з металу з роботою виходу 4,5 еВ. Визначте максимальний імпульс, який передається поверхні металу під час вилітання кожного електрона. (Відповідь: 3,8·10^–25  кг·м/с )

№ 5. Робота виходу електронів із калію дорівнює 2,25 еВ. З якою швидкістю вилітають електрони з калію, якщо його освітили монохроматичним світлом із довжиною хвилі 365 нм? (Відповідь: 6,4·10⁵ м/с)

№ 6. Якою найменшою напругою повністю утримуються електрони, вирвані ультрафіолетовими променями з довжиною хвилі 0,1 мкм із вольфра­мової пластинки? Робота виходу для вольфраму дорівнює 4,5 еВ. (Від­повідь: 8В)

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

Гончаренко С.У. Фізика: 11 клас: § 68 –70, Впр. 16 № 3. § 70: Застосування фотоефекту – конспект.

 

Самостійно вивчити тему: «Люмінесценція. Квантові генератори та їх застосування.»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 39

Тема: Основні положення сТВ. Швидкість світла в вакуумі. Сучасні уявлення про простір і час. Взаємозв’язок класичної і релятивістської механіки.

Мета заняття:

•                 узагальнити знання про властивості простору і часу з точки зору класичної фізики;
•                 розкрити фізичний зміст постулатів теорії відносності;
•                 порівняти закон додавання швидкостей з точки зору класичних та релятивістських уявлень;
•                 пояснити відносність понять довжини, проміжків часу;
•                 розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття. 

1.   Актуалізація опорних знань

Властивості простору і часу з точки зору класичної фізики:

1.   Простір однорідний, ізотропний, має три виміри, евклідів.
   • Однорідність : властивості простору однакові в будь – якій його точці;
   • Ізотропність: властивості простору однакові в будь – якому напрямку;
   • Тривимірність, евклідів: справедлива геометрія Евкліда.
2.   Розміри тіла не змінюються при переході із однієї інерційної системи відліку (ІСВ) в іншу.
3.   Час протікає однаково в будь – якій інерційній системі відліку.

Принцип відносності Галілея:

Всі механічні явища протікають однаково в будь – якій інерційній системі відліку.

Класичний закон додавання швидкостей.

 

, де

 

– швидкість тіла в системі K',

– швидкість системи K' відносно K,

– швидкість тіла в системі K. 

 

 

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Теорія відносності – сучасна теорія про властивості простору і часу.

Виникла на початку ХХ століття. Альфред Ейнштейн стверджував, що законом природи є повна рівноправність усіх інерціальних систем відліку відносно не тільки механічних, а й електромагнітних процесів. Немає ніякої різниці між станом спокою та рівномірним прямолінійним рухом. Принцип відносності – головний постулат теорії Ейнштейна.

•     Перший постулат Ейн­штейна: усі явища природи в усіх інерціальних системах відліку (ІСВ) проходять однаковим чином і описуються однаковими рівняннями.
•     Другий постулат: швидкість світла у вакуумі – величина абсолютна, інваріантна від­носно всіх ІСВ, не залежить від швидкості руху джерела чи приймача сигналу.

 

 

Релятивістський закон додавання швидкостей.

Як узгодити твер­дження про незалежність швидкості світла від руху джерела з алгебраїч­ним додаванням звичайних швидкостей у механіці? Ейнштейн показав, що звичайна формула механіки для додавання швидкостей неправиль­на й має змінитися. Релятивістський закон додавання швидкостей має вигляд: .

Наслідки:

1. При υ<<c, υ₁<<c ця формула переходить у відому формулу перетворення Галілея для швидкості: .
2. Якщо одна зі швидкостей дорівнює швидкості світла, тобто, наприклад, υ=с, то υ₂=с:

Відносність проміжків часу.

Нехай інтервал часу між двома подіями в інерціальній системі К дорівнює t₀. Тоді інтервал t між цими подіями в системі відліку К', яка рухається зі швидкістю υ, виражається так: .

Висновок: В системі відліку, відносно якої годинник рухається, час (інтервал часу) більший, ніж у тій, де він нерухомий: t > t₀.

 

Відносність поняття довжини.

Розміри тіла в системі відліку К', яка рухається зі швидкістю υ, можна знайти за формулою: , де l₀ – власна довжина тіла.

 

Залежність маси від швидкості.

У механіці Ньютона припускалося, що маса тіла має одне й те саме значення в різних ІСВ. А це означає, що у разі достатньо тривалого впливу сталої сили на тіло швидкість його руху зростає необмежено. Цей результат суперечить  тео­рії відносності.

Маса тіла різна в різних системах відліку: , де m₀ – маса спокою.

Тоді релятивістський імпульс дорівнює: .

Цікаві факти:

З релятивістським ефектом уповільнення часу пов'язаний так званий “парадокс близнюків”. Передбачається, що один з близнят залишається на Землі, а другий відправляється в тривалу космічну подорож з субсвітловою швидкістю. З погляду земного спостерігача, час в космічному кораблі тече повільніше, і коли астронавт повернеться на Землю, він виявиться набагато молодше за свого брата-близнюка, що залишився на Землі. Парадокс полягає в тому, що подібний висновок може зробити і другий з близнят, що відправляється в космічну подорож. Для нього повільніше тече час на Землі, і він може чекати, що по поверненню після тривалої подорожі на Землю він виявить, що його брат-близнюк, що залишився на Землі, набагато молодше за нього.

 Щоб вирішити “парадокс близнюків”, слід взяти до уваги нерівноправ'я систем відліку, в яких знаходяться обидва брати-близнюки. Перший з них, що залишився на Землі, весь час знаходиться в інерціальній системі відліку, тоді як система відліку, пов'язана з космічним кораблем, принципово неінерціальна. Космічний корабель відчуває прискорення при розгоні під час старту, при зміні напряму руху в дальній точці траєкторії і при гальмуванні перед посадкою на Землю. Тому висновок брата-астронавта невірний. СТВ передбачає, що при поверненні на Землю він дійсно виявиться молодше за свого брата, що залишився на Землі.

 

 Насьогодні вдалося одержати пряме підтвердження цього ефекту в експериментах з макроскопічним годинником. Найбільш точний годинник - це атомний годинник на пучку атомів цезію.

Цей годинник  “цокає” 9 192 631 770 разів в секунду. Американські фізики в 1971 році провели порівняння двох таких годинників, причому один з них знаходився у польоті навколо Землі на звичайних реактивних лайнерах, а інший залишався на Землі у військово-морській обсерваторії США. Відповідно до прогнозів СТВ, мандрівний на лайнерах годинник повинен був відстати від годинника, що знаходиться на Землі, на (184±23)·10^–9с. Експериментальне відставання склало (203±10)·10^–9с, тобто в межах помилок вимірювань. Через декілька років експеримент був повторений і дав результат, що узгоджується із СТВ з точністю 1 %.

 

 В даний час вже необхідно брати до уваги релятивістський ефект уповільнення ходу годинника при транспортуванні атомного годинника на великі відстані.

 

3.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1. (Гладкова № 29.16)

Довжина нерухомого стрижня 1 м. Чому дорівнює довжина цього стрижня для спостерігача, відносно якого він рухається зі швидкістю 0,6с? (Відповідь: 0,8 м)

№ 2. (Гладкова № 29. 23)

У ракеті, що рухається зі швидкістю 0,99с відносно Землі, пройшло 10 років. Скільки часу минуло на Землі? (Відповідь: 71 рік)

Достатній рівень:

№ 3. (Гладкова № 29. 18)

При якій швидкості релятивістське скорочення довжини тіла, що рухається, становитиме 25%? (Відповідь: υ=0,66с = 1,98·10⁸ м/с)

№ 4.

З якою швидкістю відносно Землі має рухатися космічний корабель, щоб його поздовжні розміри для земного спостерігача були в 2 рази менші за справжні?

(Відповідь: υ=0,866с=2,6·10⁸ м/с)

Високий рівень:

№ 5. (Гладкова № 29. 28)

Два електрони рухаються вздовж однієї прямої зі швидкостями 0,8с та 0,9с відносно нерухомого спостерігача. Знайти відносну швидкість електронів, якщо вони рухаються в одному напрямку? В протилежних напрямках? 

4.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

Гончаренко С.У. Фізика: 11 клас: § 65, 66, знати конспект.

 

Задача 1: (Гладкова № 29. 20)

Дві ракети рухаються рівномірно та прямолінійно паралельними курсами зі швидкістю 0,6с відносно Землі. В першій ракеті дві події відбуваються через 8 годин. Знайти проміжок часу між цими подіями для спостерігача на другій ракеті, а також для спостерігача на Землі.

(Відповідь: 8 годин, 10 годин)

 

Задача 2:

З якою швидкістю має рухатися космічний корабель відносно Землі, щоб годинник на ньому йшов у 4 рази повільніше, ніж на Землі?

(Від­повідь: 2,9·10⁸ м/с)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття №40

Тема: Залежність маси від швидкості. Закон взаємозв'язку маси й енергії.

Мета заняття: – закріпити розуміння учнямививченого матеріалу по темі “СТВ”;

•     розглянути фізичну суть закону взаємозв'язку маси й енергії;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.
• Питання поточного контролю:

• Класичні уявлення про властивості простору та часу.
• Які твердження лежать в основі теорії відносності?
• У чому полягає різниця у формулюванні принципу відносності Галілея та принципу відносності Ейнштейна?
• Чим релятивістський закон додавання швидкостей відрізняється від закону додавання швидкостей у класичній механіці?
• Межі застосування законів класичної фізики.
• У чому полягає принципова відмінність швидкості світла від швидкостей руху всіх тіл?

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Взаємозв'язок маси й енергії.

3а допомогою теорії відносності Ейнштейн установив чудову за своєю простотою й узагальненістю формулу зв'язку між енергією й масою: E=mc².

З цієї формули випливає, що тіло має енергію й за швидкості, яка дорівнює нулю. Це енергія спокою: E₀=m₀c².

Всякій зміні енергії в будь-якому процесі відповідає певна зміна маси:

Так, якщо вода, в яку опущене нагріте тіло, нагрівається за рахунок охолодження тіла, то енергія води, а тому й маса її збільшуються, а енергія й маса тіла, що остиває, настільки ж зменшуються. Але, ця зміна маси дуже мала, і її ми звичайно не враховуємо.

Кінетична енергія E_k релятивістської динаміки є різниця між повною енергією E тіла і його енергією спокою E₀:               E_k = E – E₀, тобто:  .

Повне означення маси в сучасній фізиці: маса є

• мірою інертних властивостей: ,
• мірою гравітаційних властивостей: ,
• мірою енергетичних властивостей: будь-якого матеріального об'єкта.

3.   Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до учнів:

• Чому нагрівання тіла приводить до збільшення його маси?
• Чому під час нагрівання тіла не вдається виявити дослідним шляхом збільшення його маси?

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1. (Зб. Гладкова: № 28.47)

Визначити енергію спокою електрона та протона. Виразити її в Дж та еВ. (Відповідь: Е_0е= 8,2·10^–14 =0,511 МеВ; Е_0р= 1,5·10^–10 = 938 МеВ)

№ 2. (Зб.: Гладкова:  № 28.44)

Який імпульс має електрон, що рухається зі швидкістю (4/5)с? (Відповідь: р_е= 3,642·10^–22 кг·м/с)

Достатній рівень:

№ 3. (Зб.: Гладкова № 28.48)

Яку кінетичну енергію має тіло після прискорення, якщо його маса при цьму збільшилась на 2m₀ порівняно із масою спокою. Знайдіть повну енергію тіла та його імпульс. (Відповідь: Е_к = E – E₀ = mc²– m₀c²= 2m₀c²; E = 3m₀c²; р ≈  2,82m₀c)

№ 4. (Зб.Гельфгат: № 9.10)

На скільки змінюється маса спокою 1 кг льоду під час плавлення? (Відповідь: збільшується на 3,7·10^–12 кг.)

№ 5. (Зб. Гладкова: № 28.49)

За якої швидкості кінетична енергія частинки дорівнює її енергії спокою? (Відповідь: υ ≈ 0,865с)

Високий рівень: (індивідуальне завдання)

№ 6. (Зб. Гладкова: № 28.54)

Яку прискорюючу різницю потенціалів проходить електрон, що не рухався, якщо здобута ним кінетична енергія перевищує енергію спокою в 10 разів?)

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

Гончаренко С.У. Фізика: 11 клас: § 67, скласти узагальнюючу таблицю формул по темі “СТВ Ейнштейна”

Задача.

Знайдіть кінетичну енергію електрона, що рухається зі швидкістю 0,6с. (Відповідь: 2·10¹⁴ Дж)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 41

Тема: Склад ядра атома. Енергія зв'язку атомних ядер. Радіоактивність. Альфа-, бета-, гамма-випромінювання.

Мета заняття: – актуалізувати знання студентів про будову атомна; познайомити з планетарною моделлю атома за Резерфордом;

•     розкрити природу радіоактивного розпаду та його законо­мірності;
•     ввести поняття про міцність атомних ядер; з’ясувати фізич­ний зміст поняття “дефект маси”;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Актуалізація опорних знань

Фронтальна бесіда:

??  Пригадайте, які елементарні частинки ви знаєте? Які заряди цих частинок? Які частинки входять до складу атома? Що ви знаєте про будову атома?

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

 

Модель атома Томсона.

До 1902 року було здійснено достатньо ек­спериментів, які переконливо довели існування електронів.

 

Рис. 1. Модель атома Дж. Томсона.

 

Джозеф Джон Томсон показав на основі класичної електромагнітної теорії, що розміри електрона мають бути порядку 10^–15 м. Крім того, було відо­мо, що розміри атома становлять кілька ангстрем (1 Å=10^–10 м). На цій підставі Томсон в 1903 році запропонував свою модель атома, відповідно до якої атоми являють собою однорідні кулі з позитивно зарядженої речовини, у якій містяться електрони (див. рис.). Сумарний заряд електронів дорівнює позитивному зарядуі атома. Тому атом у ціло­му електричне нейтральний.

Ця модель дістала назву «пудинг», оскільки електрони були вкраплені в позитивно заряджене середовище, немов ізюм у пудинг.

Модель Томсона здавалася привабливою з тієї точки зору, що перед­бачала наявність електронів в атомі. Однак вона проіснувала тільки до 1911 року.

 

Досліди Резерфорда.

У 1911 році Ернст Резерфорд запропонував своїм співробітникам експериментальне перевірити переконливість моделі ато­ма Томсона. Ідея досліду була проста. Якщо модель атома Томсона від­повідає дійсності, то експериментатори, пропускаючи крізь дуже тонку металеву плівку вузький пучок швидких α-частинок, не повинні виявити скільки-небудь помітного відхилення цих частинок.

Рис. 2 Схема досліду|досліду| Резерфорда по розсіянню α-частинок|часток,часточок|.

K – свинцевий контейнер з|із| радіоактивною речовиною

Э – екран, покритий сірчистим цинком

Ф – золота фольга

M – мікроскоп.

Резерфорд встановив, що кожна α-частинка, потрапляючи на екран із сірчистого цинку, викликає спалах світла. Зазнавши розсіювання в золо­тій фользі, α-частинки вдарялися потім в екран і реєструвалися за допо­могою мікроскопа.

Очікувалося, що пучок α-частинок під час проходження крізь тонку фольгу злегка розсіюється на невеликі кути. Це дійсно спостерігалося. Але несподівано з'ясувалося, що приблизно одна α-частинка з 20 000, які падають на золоту фольгу завтовшки усього лише 4·10^–5 см, повертається назад у бік джерела.

Резерфордові знадобилося кілька років, щоб остаточно зрозуміти таке несподіване розсіювання α-частинок на великі кути. Він дійшов висновку, що позитивний заряд атома зосереджений у дуже малому об'ємі в цен­трі атома, а не розподілений по всьому атому, як у моделі Томсона.

 

 

 

 

Рис. 3.Розсіяння α-частинок|частки,часточки| в атомі Томсона (a) і в атомі Резерфорда (b).

 

Ядерна модель атома Резерфорда:

1.   атоми будь-якого елемента має позитивно зарядже ядро;
2.   до складу ядра входять позитивно наряджені елементарні частинки – протони і нейтральні ней­трони;
3.   навколо ядра рухаються електрони.

Атом, який утратив (чи набув) один або кілька  електронів, перетворюється на позитивним (або негативним) йон.

Висновок: Планетарна модель атома, запропонована Резерфордом, поза сумнівом|безсумнівно| з'явилася важливим|великим| кроком в розвитку знань про будову|споруду| атома. Проте,|однак| вона виявилася нездатною пояснити сам факт тривалого існування атома, тобто його стійкість. За законами класичної електродинаміки, рухомий з|із| прискоренням заряд повинен випромінювати електромагнітні хвилі. За короткий час (близько 10^–8 с|із|) всі електрони в атомі Резерфорда повинні розтратити всю свою енергію і впасти на ядро. Те, що цього не відбувається|походить| в стійких станах атома, показує, що внутрішні процеси в атомі не підкоряються класичним законам.

Розв’язати усно:

•   У ядрі атома Карбону міститься 12 частинок. Навколо ядра рухаються 6 електронів. Скільки в ядрі цього атома протонів і нейтронів?
•   Скільки протонів, нейтронів і електронів у позитивному іоні Літію?
•   Що має більшу масу: атом Літію чи позитивний іон Літію? Атом Хлору чи негативний іон Хлору?
•   На що перетвориться атом Натрію, якщо “забрати” з його ядра один протон, не змінюючи при цьому кількість електронів?

Всі хімічні елементи мають ізотопи. Ізотопи даного хімічного елемента відрізняються кількістю протонів. Наприклад, ізотопи Гідрогену: – дейтерій, – тритій. Ізотопи мають однакові хімічні властивості, але можуть відрізнятися фізичними властивостями, а саме радіоактивністю.

 

За допомогою ядерних реакцій можна дістати радіоактивні ізотопи всіх хімічних елементів, які зустріча­ються в природі тільки в стійкому стані.

Мічені атоми. Метод мічених атомів ґрунтується на тому, що хімічні властивості радіоактивних ізотопів не відрізняються від властивостей нерадіоактивних ізотопів тих самих елементів. Радіоактивність є своєрід­ною позначкою, за допомогою якої можна простежити за поведінкою елемента під час різних хімічних реакцій і фізичних перетворень речовин.

Метод мічених атомів застосовується:

• у медицині (дослідження обміну речовин, установлення діагнозу, для терапевтичних цілей, лікування ракових захворювань);
• у промисловості (контроль зносу деталей, дифузія в металах, дослі­дження внутрішньої структури, виявлення дефектів);
• у сільському господарстві, біології (опромінення γ- променями на­сіння, боротьба зі шкідливими комахами, консервація харчових продуктів, радіоселекція);

в археології (визначення віку Землі, стародавніх предметів).

 

Масове й зарядове числа.

В якості одиниці маси в атомній і ядерній фізиці використовується атомна одиниця маси (а.о.м.).

Атомна одиниця маси дорівнює 1/12 маси атома Карбону атомною масою 12.

1 а.о.м. = 1,66057·10^-27 кг.

Ціле число, найближче до атомної миси, вираженої в а.о.м., називається масовим числом і позначається буквою А.

Число протонів у ядрі називається зарядовим числом (зарядом ядра) і позначається буквою Z.

Для кожного хімічного елемента заряд ядра дорівнює порядковому номеру в таблиці Д. І. Менделєєва.

В загальному вигляді хімічний елемент позначається так:  .

Число нейтронів у ядрі позначають буквою N.  N = А – Z.

Задача.

Знайдіть заряд та масове число кожного з елементів: F, Na, Co, Ag, Визначте кількість протонів та нейтронів в ядрі а також кількість електронів в нейтральному атомі.

 

Радіоактивність являє собою спонтанне перетворення одних атомних ядер на інші, яке супроводжується випромінюванням різних частинок або γ–квантів.

Альфа-розпад.

Перетворення атомних ядер, що супроводжується  випромінюванням α- частинок, називається α– розпадом.

Схема α- розпаду така: . 

?? Як змінюється заряд та масове число елементу при α– розпаді? В якій бік в таблиці Менделєєва переміщується новий елемент.

Бета-розпад.

Перетворення атомних ядер, що супроводжуються ви­промінюванням  β– частинок, називається β– розпадом.

Схема β– розпаду така:  

?? Як змінюється заряд та масове число елементу при β – розпаді? В якій бік в таблиці Менделєєва переміщується новий елемент.

Енергія зв’язку. Дефект маси.

Ядерні сили – найпотужніші з усіх, які ми знаємо на сьогоднішній день.

Чим же характеризувати міцність ядер? Для цього фізики користують­ся одним універсальним поняттям, придатним для будь-яких тіл, молекул, атомів і ядер,– енергією зв'язку. Про міцність того чи іншого утворення роблять висновок на підставі того, наскільки легко чи важко зруйнува­ти його: чим важче його зруйнувати, тим воно міцніше. Але зруйнувати ядро – це означає розірвати зв'язки між його нуклонами, або, іншими словами, виконати роботу проти сил зв'язку між ними.

Енергія зв'язку визначається величиною тієї роботи, як у потрібно ви­конати для розщеплення ядра на нуклони, що його складають.

E_зв. = ∆m·c², де   ∆m = Z·m_p + N·m_n + m_я – дефект маси. с² = 931,5 МеВ/а.о.м.

Дефектом маси називається різниця між сумарною масою спокою всіх нукло­нів ядра у вільному стані та масою ядра.

Для характеристики міцності ядер звичайно беруть енергію зв'язку в розрахунку на один нуклон.

Питома енергія зв'язку – це енергія зв'язку, яка припадає на один, нуклон: .

 

3.   Узагальнення та систематизація знань.

Запитання до учнів:

• Чим відрізняються один від одного атоми різних хімічних елементів?
  Що є головною характеристикою певного хімічного елемента?
• Які частинки входять до складу ядра?
• Як утворюються позитивні і негативні іони?
• Чому маса атома Гідрогену незначно відрізняється від маси протона?
• Які з відомих вам законів збереження виконуються під час радіоактивного розпаду?

 

4.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.(Гладкова № 31.4)

В який елемент перетворюється після трьох послідовних α – розпадів? (Відповідь: )

№ 2.(Гладкова № 31.5)

В який елемент перетворюється після α – розпаду та двох β – розпадів? (Відповідь: )

№ 3.(Гладкова № 31.6)

В який елемент перетворюється після трьох послідовних β – розпадів і одного α – розпаду? (Відповідь: )

Достатній рівень:

№ 4.

Знайдіть дефект маси ядра . Відповідь надайте в а.о.м та в кг.  (Відповідь: 0,124 а.о.м)

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів.

Гончаренко С.У. Фізика: 11 клас: § 85, 86.

Задача. (Гладкова № 31.7)

Ядро ізотопу перетерплює α – розпад, два β – розпади та ще один α – розпад. Які ядра при цьому утворюються?  (Відповідь: )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

План заняття № 42

Тема: Закон радіоактивного розпаду.

Мета заняття: – перевірити знання учнівв по темі “Радіоактивність. Енергія зв’язку атомних ядер”;

•     познайомити учнів з прикладами перетворення ядер хіміч­них елементів; навчити їх обчислювати енергетичний вихід ядерних реакцій;
•     ввести поняття періоду піврозпаду, вивчити закон радіоактивного розпаду;
•     розв’язати задачі різних типів та ступенів складності по темі.

Структура заняття.

1.   Контроль засвоєння знань. Перевірка д/з.

• Перевірка наявності д/з.

• Задача.

Обчисліть енергію зв'язку й питому енергію зв'язку для ядер , . Яке з цих ядер більш міцне? (Відповідь: 39,2 МеВ і 5,6 МеВ для Літію; 225 МеВ і 8,3 МеВ для Алюмі­нію)

2.   Мотивація навчальної діяльності. Засвоєння нових знань.

Ядерні реакції. Енергетичний вихід ядерних реакції.

Ядерними реакціями називаються штучні перетво­рення атомних ядер, викликані їхніми взаємодіями з різними частинка­ми або одне з одним.

Ядерні реакції можна класифікувати так:

• За видом взаємодії:

а) під дією заряджених частинок;

б) під дією нейтронів;

• За енергетичним виходом:

а) з виділенням енергії – екзоенергетичні;

б) з поглинанням енергії – ендоенергетичні;

• Реакції з величезним виділенням енергії:

а) поділ важких ядер;

б) синтез легких ядер (термоядерні реакції).

Перша ядерна реакція була здійснена Э. Резерфордом в 1919 році в дослідах по виявленню протонів в продуктах розпаду деяких ядер. Резерфорд бомбардував атоми Нітрогену α– частинками|частками,часточками|:

Під час ядерних реакцій обов’язково виконуються різні закони збережен­ня (наприклад, закон збереження енергії, імпульсу, заряду, маси тощо). На додаток до цих класичних законів збереження|зберігання| при ядерних реакціях виконується закон збереження|зберігання| так званого баріонного заряду (тобто числа нуклонів – протонів і нейтронів). |часток,часточок|

Ядерні реакції можуть протікати при бомбардуванні атомів швидкими зарядженими частинками|частками,часточками| (протони, нейтрони, α– частинки|частки,часточки|, іони). Перша реакція такого роду була здійснена за допомогою протонів великої енергії, одержаних|отриманих|  в прискорювачі, в 1932 році: .

Проте|однак| найцікавішими для практичного використання є|з'являються,являються| реакції, що протікають при взаємодії ядер з|із| нейтронами. Оскільки|тому що| нейтрони позбавлені заряду, вони безперешкодно можуть проникати всередину атомного ядра і викликати|спричиняти| його перетворення. Видатний|визначний| італійський фізик Э. Ферми першим почав|розпочав,зачав| вивчати реакції, що викликаються|спричиняються| нейтронами. Він виявив, що ядерні перетворення викликаються|спричиняються| не тільки|не лише| швидкими, але і повільними нейтронами, рухомими з|із| тепловими швидкостями.

Ядерні реакції супроводжуються|супроводяться| енергетичними перетвореннями.

Енергетичний вихід ядерних реакцій можна визначити двома способами:

• за дефектом мас ядерної реакції: Q = (M_A + M_B – М_С| – M_D)c² = ΔMc²,  де M_A і M_B – маси початкових|вихідних| продуктів, М_С| і M_D – маси кінцевих|скінченних| продуктів реакції.
• за різницею сумарної енергії зв'язку ядер, що утворюються, й вихід­них ядер.

Для того, щоб ядерна реакція мала позитивний енергетичний вихід, питома енергія зв'язку нуклонів в ядрах |вихідних| продуктів до реакції повинна бути менше питомої енергії зв'язку нуклонів в ядрах |скінченних| продуктів після реакції. Це означає, що величина ΔM >0.

Закон радіоактивного розпаду.

Якщо певну кількість радіоактивного елемента, наприклад, Rn помістити в запаяну ампулу, то з часом інтенсивність радіоактивного випромінювання зменшується. Це свідчить про те, що кількість  нерозпавшихся ядер Rn зменщується.

Інтервал часу, за який розпадається половина числа атомів радіоактивного елементу називається періодом піврозпаду Т.

Періоди піврозпаду деяких радіоактивних елементів

Нуклід		Т
Вісмут		5,02 доби
Радій		1600 років
Іридій		75 діб
Стронцій		28 років
Кальцій		164 доби
Торій		1,39 · 1011 (років)
Натрій		15,3 год
Уран		7,1 · 108 (років)
Полоній		138 діб
Уран		4,5 · 109 (років)

Нехай в початковий момент часу t=0 кількість радіоактивних атомів дорівнює N₀. Через час t=Т  кількість нерозпавшихся атомів дорівнює . Ще через один період піврозпаду, тобто через t=2Т  кількість нерозпавшихся атомів дорівнюватимє . Через час t=nТ  кількість нерозпавшихся атомів дорівнюватимє . Оскільки, , то . Вираз називається законом радіоактивного розпаду.

Закон радіоактивного розпаду можна записати інакше: , де е=2,71628… – основа натуральних логарифмів.

Якщо час t, за який обчислюють кількість атомів, що розпалися,  значно менший періоду піврозпаду Т, то можна скористатися наближеною формулою: .

Відношення кількості ядер, що розпалися за одну секунду ∆t=1c, до кількості радіоактивних ядер, що є в наявності в даний момент часу, називається сталою розпаду даного радіоактивного елемента λ: .               [λ]=1Бк = 1 розп./с (Беккерель)

Період піврозпаду Т і стала радіоактивного розпаду λ зв’язані співвідношенням: Т=0,693/λ.

 

3.   Розв’язання задач.

Середній рівень:

№ 1.(Зб. 3: № 30.12)

Обчислити період піврозпаду , якщо його стала піврозпаду λ=1,3564743·10^–11Бк. (Відповідь: Т=1620 років)

№ 2.(Зб. 4: № 12.14)

Сумарна маса спокою продуктів ядерної реакції виявилася на 0,025 а. о. м. більшою за сумарну масу спокою ядер і частинок, які вступили в реакцію. Чому дорівнює енергетичний вихід даної ядер­ної реакції? (Відповідь: ∆Е = – 23,3 МеВ)

Достатній рівень:

№ 3.(Зб. 4: №12.24)

Чому дорівнює енергетичний вихід ядерної реакції: .
(Відповідь: ∆Е  = 4,04 МеВ)

№ 4.

Ядро Урану поглинає один нейтрон і ділиться на два осколки й чотири нейтрони. Один з осколків – ядро . Ядром якого ізотопу є другий осколок?

№ 5.(Зб. 2:  № 31.36)

При обстрілі ядер фтора протонами утворюється кисень . Записати реакцію.  Чому дорівнює енергетичний вихід даної ядерної реакції? (Відповідь: ∆Е  = 8,15 МеВ)

 

4.   Контроль якості знань.

 

5.   Підведення підсумків, видача завдання для домашньої роботи учнів

Гончаренко С.У. Фізика: 11 клас: § 87 – 88; впр. 20 № 1, 2.