О В Лисенко - Фізика конспект лекцій - страница 2

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59 

ядра від масового числа [6]................................................................................................. 216

§ 105 Краплинна й оболонкова моделі ядра [6]................................................................ 217

§ 106 Ядерні сили [6]........................................................................................................... 218

§ 107 Закон радіоактивного розпаду. Середній час життя, період напіврозпаду,

активність радіоактивної речовини. Види радіоактивного розпаду [6]......................... 219

§ 108 Альфа-розпад. Енергія а-частинок. Теорія Гамова-Герні-Кондона [3, 11]........... 220

§ 109 Бета-розпад. Види бета-розпаду. Енергія b-частинок. Теорія Фермі.
Слабка взаємодія [3, 11]          222§ 110 Ядерні реакції. Енергія реакції. Гранична
кінетична енергія. Компаунд-ядро.   Реакція  зриву.   Реакція   захоплення.   Ефективний   переріз ядерної

реакції [3]. 224

§ 111 Ділення ядер.  Ланцюгова ядерна реакція. Ядерна бомба. Ядерний

реактор [3] 228

§ 112 Термоядерні реакції. Дейтерій-тритієвий синтез. Протонно-протонний

цикл. Вуглецевий цикл [3]    232

§ 113 Види взаємодій і класи елементарних частинок [3] 233

СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ.......................................................................................................... 214

ПРЕДМЕТНИЙ ПОКАЖЧИК            237ПЕРЕДМОВА

 

Поданий читачу конспект лекцій був створений автором у результаті викладання курсу фізики на фізико-технічному факультеті Сумського державного університету, починаючи з 2001 року.

У зв' язку з реорганізацією навчального процесу відповідно до основних тенденцій Болонського процесу зменшується обсяг аудиторних занять, частина навчального матеріалу виноситься на самостійне вивчення. Тому постає два питання: який матеріал повинен бути обов 'язково вивченим та яка мінімальна глибина його розуміння? Поданий конспект лекцій дає відповіді на ці запитання.

Формуючи мінімально необхідний матеріал, автор використовував перш за все загальновідомі російськомовні курси фізики І.В.Савельєва [1-6] та Д.В.Сивухіна [7-11]. Для студентів, які бажають отримати більш глибоке розуміння викладених у конспекті питань, у заголовку кожного параграфа наведено посилання на рекомендовану літературу.

Під час написання конспекту лекцій було поставлено двое завдань: сформувати у студентів систему понять і законів фізики та сформувати вміння їх застосовувати до конкретних ситуацій (формування фізичного мислення).

Для вирішення першого завдання у конспекті визначення фізичних понять, формулювання законів виділено напівжирним курсивом. Важлива інформація виділена курсивом. У кінці конспекту лекцій подано предметний покажчик, за допомогою якого легко знайти визначення потрібного терміна. Формування системи понять фізики, тобто розуміння «мови» фізики є найголовнішим завданням, яке повинно бути вирішене читачем у першу чергу.

Для вирішення другого завдання (формування фізичного мислення) у конспекті подано достатньо велику кількість доведень тих чи інших положень фізики. Майбутній інженер повинен уміти застосовувати принципи фізики до вирішення конкретних завдань. Для засвоєння матеріалу основну роль повинна відігравати логічна пам' ять, запам' ятовування повинно досягатися через глибоке розуміння. Над конспектом потрібно працювати «з олівцем у руках», обов' язково опрацьовуючи усі доведення, не обмежуючись тільки читанням матеріалу.

Структура конспекту лекцій обумовлена тим, що курс лекцій для студентів інженерних спеціальностей викладається протягом двох семестрів. Перша частина конспекту лекцій [12] охоплює матеріал першого семестру вивчення фізики. Матеріал, який поданий читачу в цій, другій, частині конспекту лекції, вивчається у другому семестрі навчання. Тут викладені розділи «Електромагнетизм», «Коливання та хвилі», «Хвильова оптика», «Квантова природа випромінювання», «Елементи атомної фізики та квантової механіки», «Елементи фізики атомного ядра й елементарних частинок».РОЗДІЛ 1 ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

 

ТЕМА 1 МАГНІТНЕ ПОЛЕ У ВАКУУМІ§ 1 Магнітне поле. Дослід Ерстеда. Закон Ампера. Напрям і індукції магнітного поля. Принцип суперпозиції [13, 14]


1  модуль вектораУ природі трапляються деякі залізні руди, що мають властивість притягувати до себе невеликі залізні предмети, що знаходяться поблизу, наприклад, залізні ошурки або цвяхи. Якщо кусок такої руди підвісити на нитці, він орієнтується в напрямку з півночі на південь (рис. 1.1). Куски такої руди називають природними магнітами. Кусок заліза або сталі, що знаходиться поблизу магніту, сам намагнічується, тобто отримує здатність притягувати до себе інші залізні предмети.

2  Можна виготовити магніт у вигляді дуже довгого й тонкого стержня. Подібний магніт називають магнітною стрілкою. Часто магнітну стрілку виготовляють у вигляді витягнутого ромба (рис. 1.2). Якщо таку стрілку підвісити або укріпити на вістрі так, щоб вона могла вільно обертатися, то вона завжди встановлюється таким чином, щоб один з її полюсів був повернутий на північ, а інший - на південь. Так само орієнтується й будь-який магніт, що підвішений на тонкій, яка легко закручується, нитці. Полюс магніту, що повертається на північ, називають північним полюсом, а інший полюс - південним.

Магнітні стрілки особливо зручні для виявлення магнітних властивостей природного або штучного магніту. Наближаючи до стрілки магніт, ми побачимо, що її північний полюс притягується до південного полюса магніту й відштовхується від північного (і навпаки). Таким чином, магнітна стрілка під дією магніту повертається відносно своєї осі.

3  Як    показує дослід,

магнітами

між

вигляді нитці,

витягнутого праворуч -

у

на

в

Рисунок 1.2 - Магнітні стрілки ромба:  ліворуч - підвішена укріплена на вістрі

B, за визначенням, беруть напрям від стрілки, що вільно встановилась у

взаємодія здійснюється за допомогою магнітного поля. Магнітне поле - це матеріальний об'єкт, що орієнтує магнітну стрілку в просторі. З дослідів випливає, що магнітне поле має спрямований   характер. Тому

магнітне поле характеризують

вектором магнітної індукції B . За напрям вектора південного полюса S до північного N магнітної магнітному полі (див. рис. 1.2).

4 Історичним у розумінні сутності магнітного поля став дослід Ерстеда (1820 р.). Ерстед розмістив над магнітною стрілкою прямолінійний провідник (рис. 1.3) паралельно стрілці. Стрілка могла вільно обертатися навколо вертикальної осі. Коли по провіднику пропускали електричний струм, магнітна стрілка відхилялася й встановлювалася перпендикулярно до провідника. При зміні напрямку струму стрілка поверталася на 180°. Те саме відбувалося, коли провідник переносили вниз і розміщували під стрілкою. Таким чином, дослід Ерстеда доводить, що в просторі, який оточує електричний струм, створюється магнітне поле.
5 У попередньому пункті ми говорили про те, що провідники зі струмом створюють навколо себе магнітне поле. Виявляється, що є й інша властивість, магнітне поле діє на провідники зі струмом. Для доведення цього виконаємо такий дослід. Два паралельних металевих стержні A й B розмістимо між полюсами магніту N й S (рис. 1.4). Легкий металевий стержень C опирається своїми кінцями на стержні A й B і може вільно переміщатися уздовж них. Стержні A й B приєднані до акумуляторної батареї Б через комутатор K, за допомогою якого можна замикати й розмикати електричне коло, яке утворене провідниками A , C й B , а також змінювати напрям електричного струму в ньому.dF

(1.1)

х B]


■-k І [dl

У цій формулі B - вектор індукції магнітного поля,

шляхом

який є характеристикою магнітного поля; вектор dl спрямований за напрямом електричного струму; k -коефіцієнт пропорційності, який у системі СІ дорівнює одиниці. Формулу (1.1) називають законом Ампера (силою Ампера). Силу, що діє на провідник скінченної довжини,  знаходимо  за допомогою (1.1)


а) б) Рисунок 1.5 - Напрям сили, що діє на   провідник   з електричним струмомінтегрування за усією довжиною провідника.

Напрям струму

Як випливає із закону Ампера (1.1), сила dF перпендикулярна як до напряму проходження

електричного струму Idl , так і до вектора B, а її величина пропорційна синусу кута між цими

Id!

вектори

й B

паралельні,

Напрям сили Рисунок 1.6 - До правила лівої руки

векторами   (як   відомо,    | [dl х B] |=| dl | | B | х

сила

визначення

dF

х sin( dl, B)). Коли

дорівню є нулю.

напрямку сили dF зручно використовувати правило лівої руки (рис. 1.6): якщо ліву долоню

розмістити так, щоб витягнуті пальці показували напрям струму І , а лінії індукц ії

магнітного поля B входили в долоню, то відхилений великий палець покаже напрям сили dF, що діє на провідник.

Як зазначалось вище, коефіцієнт пропорційності k у формулі (1.1) залежить тільки

від вибору одиниць величин dl, B, І і dF. У системі СІ цей коефіцієнт дорівнює одиниці k = 1, індукція магнітного поля виміряється в теслах (Тл) .

7  Закон Ампера дозволяє визначити  числове  значення магнітної індукції  B. Припустимо, що елеме нт провідника dl зі струмом І є перпендикулярним до напряму

магнітного поля (sin(dl ,B)=1). У цьому випадку сила, що діє на елемент провідника зі струмом, буде максимальною, тобто

dF = IBdl sin( dl, B) = IBdl = dFmax .

Експериментально визначивши значення максимальної сили dFmax, що діє на елемент провідника dl зі струмом І, можемо знайти модуль вектора індукції магнітного поля

1 dF

B ^j^l. (1.2)

І dl

З формули (1.2) випливає, що магнітна індукція B чисельно дорівнює силі, що діє з боку поля на одиницю довжини провідника, по якому проходить електрични й струм

одиничної сили і який розміщений перпендикулярно до напряму магнітного поля B . Таким чином, магнітна індукція є силовою характеристикою магнітного поля. Напрям вектора

індукції магнітного поля B , як говорилося вище, визначається напрямом від південного полюса S до північного N магнітної стрілки, що вільно встановилась у магнітному полі (див. рис. 1.2).

З формули (1.2) також неважко з'ясувати зв'язок між одиницею виміру індукції магнітного поля та іншими одиницями виміру в системі СІ: 1 Тл=1 Н/(Ам) .

8  Дослід свідчить, що для магнітного поля, як і для електричного, виконується

принцип суперпозиції: поле B, яке створюється декількома струмами, дорівнює векторній сумі полів Bi, що створюються кожним струмом окремо
(1.3)§ 2 Сила Лоренца [5]

1 Сила Ампера, що діє на провідник довжиною dl зі струмом І в магнітному полі з індукцією B ,

dF = І [dl х B] (2.1)обумовлена тим, що магнітне поле діє на рухомі носії електричного струму. Від носіїв

струму дія сили передається провіднику, по якому вони переміщуються. Знайдемо силу Fm з

боку магнітного поля, що діє на окремо взятий рухомий електричний заряд. Для цього подамо силу струму І у вигляді

І = jS = nquS,

де j - густина електричного струму; S - площа поперечного перерізу провідника; n, q та u відповідно концентрація, заряд та швидкість носіїв електричного струму. Підставлення цього виразу в (2.1) дає

dF = nquS[dl х B] = nqSdl[u х B].

Тут використали, що напрями векторів dl та u збігаються. Добуток nSdl дорівнює числу носіїв струму, що знаходяться на ділянці провідника dl. Розділивши dF на це число, знайдемо силу Fm, що діє на заряд q, який рухається зі швидкістю u, з боку магнітного поляq[u х B]

(2.2)

Ця формула визначає силу (будемо називати її магнітною), що діє в точці поля, де магнітна індукція дорівнює B, на точковий заряд q, який рухається зі швидкістю u. Модуль магнітної сили дорівнює

Fm = quB sin a, (2.3)

де a - кут між векторами u й B . З (2.3) випливає, що на заряд, який рухається вздовж ліній поля, не діє магнітна сила (у цьому випадку a = 0).

Магнітна сила завжди спрямована перпендикулярно до швидкості зарядженої частинки, як це випливає з (2.3). Тому вона роботи над частинкою не виконує. Отже, за допомогою магнітного поля енергію частинки змінити не можна.

У випадку, коли заряджена частинка знаходиться як в електричному, так і в магнітному полі, сила, що діє на заряджену частинку з боку електромагнітного поля, дорівнює

F = qE + q[uх B]||. (2.4)

Цей вираз отримав Лоренц шляхом узагальнення експериментальних даних, і його називають силою Лоренца.

 

 

 

§ 3 Рух зарядженої частинки в однорідному магнітному полі [9]

Нижче подано два варіанти викладення цього питання. У першому варіанті використовуються більше фізичні ідеї. Другий варіант базується на точному математичному розв'язанні вихідних рівнянь. Бажано ознайомитися з обома підходами. Для підготовки до практичного заняття, модульного контролю, іспиту можна використати будь-який варіант за вашим вибором.

Перший варіант

Розглянемо рух зарядженої частинки в однорідному магнітному полі, початкова швидкість якої спрямована під кутом a до вектора індукції магнітного поля (див. рис. 3.1).

Для цього використаємо другий закон Ньютона m do/dt = Ц Fi та формулу для магнітної

складової сили Лоренца

Fm =       B].  (3а. 1)Виходячи з формули для магнітної складової сили Лоренца (3а.1), неважко з'ясувати, що ця сила завжди спрямована перпендикулярно до вектора швидкості частинки (згадайте властивості векторного добутку). Це означає, що робота магнітної складової сили Лоренца завжди дорівнює нулю:
jFm dr = jFm •udt =jFmu COs(Fm, u)dt =jFmu0 dt =0.Таким чином, магнітна складова сили Лоренца не змінює кінетичну енергію частинки, а отже, не змінює і модуль її швидкості. Вона тільки викривлює траєкторію.

Страницы:
1  2  3  4  5  6  7  8  9  10  11  12  13  14  15  16  17  18  19  20  21  22  23  24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  34  35  36  37  38  39  40  41  42  43  44  45  46  47  48  49  50  51  52  53  54  55  56  57  58  59 


Похожие статьи

О В Лисенко - Фізика конспект лекцій

О В Лисенко - Прогнозування технологічної спадковості при токарній овроещ