Fizyka - część III

1._Podajcie określenie pola magnetycznego. Porównajcie pole magnetyczne z polem elektrostatycznym.

Pole magnetyczne to jedna z postaci pola elektromagnetycznego: jest to pole wytwarzane przez zmienne w czasie pole elektryczne, w szczególności przez układ poruszających się ładunków.

Pole magnetyczne ma charakter wirowy podczas gdy elektrostatyczne jest oddziaływaniem liniowym.

2. Indukcja pola i jej związek z natężeniem pola magnetycznego.

Wektor opisujący natężenie pola magnetycznego wewnątrz ciała: oznaczamy literą B.

Indukcja pola równa jest natężeniu pola magnetycznego H poza ciałem, pomnożonemu przez współczynnik przenikalności magnetycznej ośrodka 

B=.H (jednostka to Tesla [1T] )

H - natężenie pola magnetycznego

3. Ruch cząstki naładowanej w polu elektrycznym i magnetycznym. Możliwości jej wykorzystania.

Na cząstkę działa stała siła
 ,która jest prostopadła do toru cząstki, zatem tor ten musi być okręgiem.

 czyli 

Prędkość kątowa cząstki

Cyklotron jest urządzeniem służącym do przyspieszania naładowanych cząstek do wysokich energii, tak aby można było ich używać w doświadczeniach nad rozbijaniem atomów. Duże prędkości otrzymuje się zmuszając cząstki do wielokrotnego przebywania drogi przyspieszenia poprzez zakrzywienie ich toru w polu magnetycznym.

Zjawisko odchylania się toru cząstek w polu elektrycznym lub magnetycznym można też wykorzystać do sterowania ruchem tych cząstek, jak to ma miejsce w oscyloskopie.

4. Siła elektrodynamiczna i jej wykorzystanie.

Na umieszczony w polu magnetycznym przewodnik, w którym płynie prąd działa siła F
o zwrocie zależnym zarówno od kierunku prądu jak i od ustawienia biegunów magnetycznych warunkujących zwrot linii pola magnetycznego. Siła ta nosi nazwę siły elektrodynamicznej.

Możemy ją wykorzystać do określenia kierunku prądu płynącego w przewodniku albo do określenia kierunku pola (reguła lewej dłoni).

5. Sposoby obliczania pracy i mocy. Jednostki i wzory.

Pracę możemy obliczyć jako różnicę energii

Praca = energia końcowa - energia początkowa  

Jednostką pracy jest dżul 1J

Moc to stosunek pracy to czasu, w którym ta praca została wykonana

 jednostką jest Wat (1W) albo koń mechaniczny (1kM=736W)

6. Sposoby obliczania siły elektromotorycznej indukcji.

Siła elektromotoryczna indukowana w obwodzie zamkniętym jest równa stosunkowi zmiany strumienia indukcji magnetycznej objętego tym obwodem do czasu, w którym ta zmiana następuje.

gdzie
- strumień indukcji pola magnetycznego

 gdzie
-kąt pomiędzy kierunkiem B a prostą prostopadłą do powierzchni S

7. Zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Reguła Lenza.

                          

Jeżeli źródło opla magnetycznego i zamknięty przewodnik poruszają się względem siebie to w przewodniku zaczyna płynąć prąd elektryczny.

Reguła Lenza

Indukowany w obwodzie prąd ma taki kierunek, że pole magnetyczne wywoływane przez ten prąd przeciwdziała przyczynie, która go wywołuje.

8. Zasada działania prądnicy i silnika elektrycznego.

Prądnica

Prostokątny obwód znajduje się w jednorodnym polu magnetycznym. Jeśli taki obwód będziemy obracać to wyindukuje się siła elektromotoryczna, czyli  w przewodniku zacznie płynąć prąd.

Silnik prądu zmiennego jest urządzeniem dokładnie odwrotnym do prądnicy prądu zmiennego. Może być on używany raz jako silnik, a raz jako prądnica w zależności od tego, czy przez ramkę przepuszczamy prąd zmienny, czy też zmuszamy ją do obracania się poprzez przyłożenie sił zewnętrznych.

9. Indukcja własna. Obliczanie współczynnika indukcji.

Jeśli obwód zamknięty połączymy ze źródłem prądu zmiennego, to pole magnetyczne, wytworzone przez prąd płynący w tym obwodzie, będzie zmieniać się w czasie. Jak wiemy indukcja pola magnetycznego, wytwarzanego przez prąd stały, jest proporcjonalna do natężenia prądu. Strumień pola magnetycznego
 przez obwód wytwarzający to pole będzie więc też proporcjonalny do natężenia prądu

 gdzie współczynnik proporcjonalności L, zależny od kształtu geometrycznego obwodu, nazywamy indukcją własną.

 gdzie
 - siła elektromotoryczna samoindukcji

10. Wyjaśnijcie, co oznaczają określenia: elektryzowanie przez indukcję, magnesowanie przez indukcję, indukcja pola, indukcja elektromagnetyczna, indukcja własna, strumień indukcji.

Elektryzowanie przez indukcję polega na przesunięciu elektronów, czyli rozdzieleniu ładunków elektrycznych.

Magnesowanie przez indukcję to nadawanie ciału własności magnesu dzięki zewnętrznemu polu magnetycznemu.

Indukcja pola to oddziaływanie pola na ciała znajdujące się w jego otoczeniu bez zetknięcia się z tym ciałem.

Indukcja elektromagnetyczna to zjawisko powstawania siły elektromotorycznej
w obwodzie elektrycznym pod wpływem zmian strumienia magnetycznego przenikającego przez ten obwód (zmianę tę uzyskuje się poprzez ruch przewodnika lub zmianę natężenia pola magnetycznego).

Indukcja własna rodzaj indukcji elektromagnetycznej; mówimy o niej gdy siła elektromotoryczna powstaje w obwodzie prądu zmiennego pod wpływem wytworzonego przez niego zmiennego strumienia magnetycznego.

Strumień indukcji to iloczyn pola powierzchni S  i wektora indukcji pola elektrostatycznego D.

11. Wielkości opisujące ruch drgający. Porównanie ruchu drgającego z ruchem po okręgu. Przykłady ruchu drgającego.

Wielkości: położenie równowagi, amplituda, okres

Amplituda -maksymalne wychylenie cząstki ośrodka sprężystego z położenia równowagi

Okres - czas, w którym cząstka wykonuje jedno pełne drganie

Zarówno w ruchu drgającym jak i w ruchu po okręgu występuje wielkość zwana okresem (a zatem i jej odwrotność - częstotliwość), i wynosi
 

Przykłady:  ruch wahadła, ruch atomów w ciałach stałych, ruch ciężarka przytwierdzonego z obu stron do sprężyny.

12. Ruch wahadła i możliwości jego zastosowania do pomiaru czasu i przyspieszenia ziemskiego.

  i
  czyli

 mnożąc "na krzyż"

czyli             
                albo             

Tak więc mając wahadło długości l i znając okres jego drgań T można wyznaczyć g.

Natomiast fakt, że T jest stałe pozwala wykorzystać wahadło do pomiaru czasu (można np. tak dobrać l, żeby T=1s i skonstruować zegar)

13. Rezonans i jego przykłady.

Kiedy częstość drgań pobudzających jest równa częstości własnej układu, nazywamy to rezonansem. Nawet fala o niewielkiej amplitudzie może wzbudzić silne drgania ciał.

Dźwięk o odpowiedniej częstotliwości (np. równej częstości drgań własnych cząsteczek szkła) może spowodować pękanie szyb.(delfiny)

Wchodząc na drewniany most i podskakując na nim z częstością równą częstości jego drgań własnych można doprowadzić do jego pęknięcia.

14. Rodzaje fal i przykłady ruchu falowego.

Fala płaska

kulista

i sinusoidalna
r - promień rozchodzenia się fali      
a  k - wektor falowy
 gdzie z kolei
 - długość fali

albo:

Fala podłużna (wychylenie cząstek jest równoległe do kierunku rozchodzenia się fali)

i poprzeczna ( wychylenie jest prostopadłe)

przykłady: fale rozchodzące się na wodzie po rzuceniu kamieniem, charakter falowy ma również światło i dźwięk.

15. Zjawiska falowe. Fala stojąca.

Dyfrakcja polega na zmianie kierunku rozchodzenia się fali wtedy, gdy przechodzi ona obok przeszkody lub przez otwory.

Interferencja powstaje w wyniku nałożenia się fal.

Fale stojące powstają w wyniku interferencji fal o jednakowych amplitudach A
i o częstotliwościach
 ale rozchodzących się w dwu przeciwnych kierunkach.  Wytworzone zaburzenie nie "biegnie" wzdłuż sznura, na przykład miejsca zerowych wychyleń nie zmieniają swojego położenia. Fale tego rodzaju to fale stojące. Miejsca,
w których wychylenie stale jest równe zeru nazywamy węzłami fali stojącej, a miejsca,
w których amplituda drgań jest największa, nazywamy strzałkami fali stojącej.

16. Własności fal głosowych. Zjawiska falowe w akustyce.

Natężenie dźwięku
 jest równe ilości energii E związanej z falą akustyczną, jaka w ciągu jednostki czasu t przepływa przez jednostkę powierzchni S ustawioną prostopadle do kierunku rozchodzenia się zaburzenia.

Poziom natężenia dźwięku
 gdzie

Jednostką poziomu natężenia dźwięku jest bel (1B), ale w praktyce najczęściej używamy jednostki 10 razy mniejszej - decybel (1dB).

Zjawisko Dopplera polega na pozornej zmianie wysokości dźwięku, wysyłanego przez źródło, w wyniku względnego ruchu obserwatora i źródła.

Gdy obserwator się porusza  to słyszy dźwięk o częstotliwości

gdzie f₀ - częstotliwość własna źródła, v₀ - prędkość obserwatora, v - prędkość fali

Gdy porusza się źródło dźwięku to nieruchomy obserwator słyszy dźwięk
o częstotliwości
 gdzie v_z - prędkość źródła

17. Wielkości charakteryzujące prąd zmienny. Wartości skuteczne i ich związek
z wartościami maksymalnymi.

Prąd przemienny charakteryzują następujące wielkości:

częstotliwość, napięcie, natężenie, moc.

Wartości skuteczne napięcia (lub natężenia) prądu zmiennego to takie wartości napięcia (natężenia) prądu stałego, jakie musiałby mieć prąd stały aby w danym czasie wykonać taką samą pracę co prąd zmienny.

 gdzie I_SK - natężenie skuteczne, I₀ - natężenie maksymalne

18. Budowa, działanie i zastosowanie transformatorów.

Transformator to urządzenie elektrotechniczne służące do przenoszenia energii elektrycznej prądu zmiennego drogą indukcji z jednego obwodu elektrycznego do drugiego. Transformator zbudowany jest z dwóch cewek (uzwojeń) nawiniętych na wspólny rdzeń.

Zmiany strumienia magnetycznego stowarzyszonego z prądem płynącym przez pierwszą cewkę (tzw. uzwojenie pierwotne) indukują przepływ prądu elektrycznego w drugiej cewce (tzw. uzwojeniu wtórnym). Głównym parametrem użytkowym transformatora jest tzw. przekładnia, czyli stosunek liczby zwojów w uzwojeniu pierwotnym n₁ do liczby zwojów w uzwojeniu wtórnym n₂.

Stosowanie transformatorów pozwala na uzyskiwanie różnych napięć. Stosujemy zarówno transformatory obniżające, jak i podwyższające napięcie.

19. Kondensator i zwojnica w obwodzie elektrycznym. Rodzaje oporów elektrycznych.

Kondensator elektryczny, przyrząd elektryczny zbudowany z dwóch (lub więcej) elementów wykonanych z przewodnika, rozdzielonych dielektrykiem. Elementy przewodzące nazywane są okładkami. Zazwyczaj dąży się do maksymalizacji ich powierzchni.

Kondensator elektryczny charakteryzuje jego pojemność C (wyrażana w faradach [1F]).

Pojemność
 to stosunek ładunku zgromadzonego w kondensatorze do różnicy potencjałów między jego okładkami (czyli napięciem).

Jeżeli łączymy n kondensatorów równolegle to pojemność

a jeśli łączymy je szeregowo to

Zwojnica (a dokładniej samoindukcja) powoduje specyficzne "opóźnianie się" prądu. Po włączeniu napięcia prąd pojawia się stopniowo, tym wolniej im samoindukcja jest większa.

Rodzaje oporów : omowy R  i  indukcyjny czyli iloczyn
 gdzie L - indukcja własna

Jeśli w obwodzie mamy kilka oporów połączonych (szeregowo lub równolegle) to możemy wprowadzić opór zastępczy.

Jeśli łączymy szeregowo n oporników to

a jeśli łączymy je równolegle to

20. Prąd zmienny jako przykład drgań elektrycznych.

Prąd zmienny ma charakter drgań ponieważ wartość przepływającego ładunku zmienia się okresowo 
 gdzie Q₀ - amplituda ładunku czyli maksymalny ładunek

21. Obwód drgań elektrycznych (LC). Obliczanie okresu i częstości drgań.

Obwód LC  złożony jest z połączonych szeregowo samoindukcji (cewka, zwojnica)
i pojemności (kondensator). Jest to obwód wyidealizowany gdyż nie ma w nim oporów. Powstające w takim obwodzie drgania elektryczne polegają na okresowym (periodycznym) rozładowywaniu i ponownym ładowaniu się kondensatora. Częstość kołowa takich drgań zależy od pojemności kondensatora C i samoindukcji zwojnicy L
i jest równa 
. Natomiast okres

22. Lampy elektronowe i ich zastosowania.

Jeśli w gazie wytworzymy jony (zjonizujemy gaz) to stanie się on przewodnikiem. Ciekawą i niezmiernie ważną odmianą przewodnictwa w gazie jest prąd elektronowy przez próżnię. W prądzie tym nośnikami prądu są jedynie ładunki ujemne - elektrony. Fakt ten wykorzystany jest w lampach elektronowych (diodzie, triodzie). Katoda i anoda umieszczone są w bańce próżniowej.

Lampy elektronowe są podstawowymi elementami urządzeń służących do wytwarzania
i odbioru fal elektromagnetycznych o częstości radiowej.

 

23. Wytwarzanie drgań elektrycznych niegasnących.

Elektryczne drgania niegasnące to drgania o stałej amplitudzie. Do ich wytwarzania wykorzystuje się generatory drgań niegasnących.

Prosty model generatora drgań niegasnących wykorzystuje tranzystor polowy i obwód RLC.

24. Fale elektromagnetyczne, ich zastosowanie i odbiór.

Fale, których rozchodzenie polega na przemieszczaniu się zmiennych pól elektrycznych
i magnetycznych nazywamy falami elektromagnetycznymi.

Zastosowanie: kuchenki mikrofalowe, zabiegi lecznicze, telewizja i radio, Roentgen.

Detekcja fal elektromagnetycznych oparta jest na działaniu obwodu RLC. Dobierając częstość rezonansową obwodu możemy rejestrować fale elektromagnetyczne
o określonej częstości.

25. Źródła, sposoby rozchodzenia się światła. Pomiar światłości, strumienia świetlnego
i natężenia oświetlenia.

Źródłem światła może być dowolny obiekt emitujący światło.

Światło wykazuje jednocześnie naturę falową i naturę korpuskularną.

W próżni lub ośrodku jednorodnym promień rozchodzenia się światła ma kształt prostoliniowy.

Światłość to wielkość mierzona stosunkiem strumienia świetlnego emitowanego przez źródło światła lub jego element w nieskończenie małym stożku do kąta bryłowego tego stożka.

Strumień świetlny
 gdzie I - natężenie źródła światła, ω - to kąt bryłowy obejmujący dany wycinek powierzchni. Kąt bryłowy równy jest stosunkowi powierzchni S wycinka kuli zawartego w tym kącie do kwadratu promienia kuli r. Jednostką strumienia świetlnego jest lumen (1 lm)

Natężenie oświetlenia E to stosunek strumienia świetlnego
 przechodzącego przez niewielki wycinek powierzchni do pola powierzchni S tego wycinka.

 jednostką jest luks [1 lx]

26. Prędkość światła. Sposób pomiaru.

Prędkość światła w próżni

Prędkość v rozchodzenia się światła w ośrodkach materialnych jest zawsze mniejsza niż w próżni. 

Klasa III rysunki na str 194 i 195

27. Odbicie światła. Otrzymywanie obrazów za pomocą zwierciadeł.

Kąt padania jest równy kątowi odbicia.

28. Załamanie światła. Pryzmat i soczewka. Otrzymywanie obrazów.

Zmiana kierunku promienia światła zachodzą wtedy, gdy następuje zmiana ośrodka,
w którym rozchodzi się światło.

 stały współczynnik n to współczynnik załamania światła.

29. Równanie soczewki skupiającej. Przykłady zastosowań.

 gdzie x - odległość przedmiotu od soczewki, y - odległość obrazu od soczewki, f - ogniskowa soczewki.

Powiększenie

Praktyczne zastosowanie: obrazy rzeczywiste i pomniejszone powstają w aparacie fotograficznym i kamerze telewizyjnej, obrazy rzeczywiste i powiększone wytwarzają aparaty projekcyjne (rzutniki, aparaty kinowe).

30. Własności falowe światła. Pomiar długości fali.

Falowy charakter światła sprawia, że światło ulega interferencji i dyfrakcji.

Interferencja polega na nakładaniu się fal: jeżeli mamy dwa (lub więcej)  źródła fal świetlnych, położone w odpowiedniej odległości od siebie, to fale wychodzące z tych źródeł nakładając się powinny dać na przemian obszary, w których fala ma dużą amplitudę (jest jasno) i w których ma małą amplitudę (jest ciemno), powstają więc prążki interferencyjne (klasa III rysunek na str 199)
Warunek wzmocnienia fali:

Warunek wygaszenia fali

Dyfrakcja to odstępstwo od optyki geometrycznej, czyli od prostoliniowego biegu światła. Dyfrakcję obserwujemy gdy na drodze świata znajduje się jakiś przedmiot lub szczelina. Efekty dyfrakcji są silne wtedy, gdy rozmiary przedmiotów lub szczelin są porównywalne z długością fali. (rysunki na str 200 i 201)

31. Przegląd promieniowania elektromagnetycznego o różnych długościach fali.

-         promieniowanie podczerwone (0,7μm - 1mm) - promieniowanie termiczne, wysyłają je np. rozgrzane ciała stałe o temp niższej od

-         mikrofale (1mm - 1m) - najczęściej o długości 3cm, używane są w radarze, używa się też ich w kuchenkach mikrofalowych i w niektórych zabiegach leczniczych

-         fale radiowe ultrakrótkie (UKF, 1m - 10m) - TV i radio

-         fale radiowe (10m - 2000m) - radio, dzielimy je na krótkie (10-75m), średnie  (200-600m) i długie (1000-2000m)

-         fale powyżej 2000m nie mają specjalnej nazwy ani specjalnych zastosowań

-         nadfiolet (0,4μm - 10nm) - inaczej ultrafiolet, promieniowanie to odpowiedzialne jest m.in. za opalanie się ludzi, dociera do nas ze Słońca, wytwarzamy je sztucznie za pomocą tzw. kwarcówek.

-         promieniowanie Roentgena (10nm - 0,001nm) - inaczej promienie X, stosowane
w medycynie do wykonywania tzw. prześwietleń

-         promieniowanie γ (0,1nm - ?) - promieniowanie o długości fali mniejszej od około 0,1nm, a pochodzące z przemian zachodzących w jądrach atomowych, wchodzi w skład promieniowania kosmicznego. Niektóre z promieni γ są po postu promieniami X.

---