Физической культуры, спорта и туризма»

ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ, СПОРТА И ТУРИЗМА»

 

Кафедра биохимии и естественнонаучных дисциплин

 

М.Л. Абдуллаева

ЕСТЕСТВЕННОНАУЧНЫЕ ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОЙ КУЛЬТУРЫ И СПОРТА

 

Часть 3

ФИЗИКА

Учебное пособие для студентов, обучающихся по направлению физическая культура в университете физической культуры и спорта

 

Краснодар, 2012

Введение

 

Среди естественных наук физика занимает одно из важнейших мест. Она является тем основанием, на котором создают свои теоретические построения и совершенствуют свои экспериментальные методы все другие естественные науки: химия, биология, биохимия, биомеханика. Преподавание физики должно обеспечивать формирование основ современного естествознания, отвечающих потребностям специализации студентов в их профессиональной деятельности после окончания обучения.

Понимать физические законы – значит, уметь их применять для анализа конкретных физических явлений, задач. Поэтому в данном пособии даны как качественные, так и графические и расчетные задачи, расположенные в порядке увеличения их сложности. Данное пособие содержит весь необходимый теоретический и справочный материал.

Физика является экспериментальной наукой, следовательно, умение наблюдать физические процессы и измерять различные физические величины приобретает особое значение. Важную роль в этом играет выбор единиц измерения физических величин. В международной практике принята система единиц СИ.

Цель настоящего учебного пособия – дать возможность студентам, самостоятельно, используя теоретический и справочный материал, выполнить предложенные задания.

 

ВВЕДЕНИЕ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕХАНИКИ

 

Основные положения:

Механическое движение – изменение положения тела относительно других тел или изменение положения частей тела со временем.

Материальная точка – тело, размерами которого можно пренебречь в данной задаче.

Физические величины бывают векторные и скалярные.

Вектором называется величина, характеризующаяся числовым значением и направлением (сила, скорость, ускорение и т.д.).

Скаляром называется величина, характеризующаяся только числовым значением.(масса, объем, время и т.д.).

Траектория - линия, вдоль которой движется тело.

Пройденный путь - длина траектории движущегося тела, обозначение - l, единица измерения в системе СИ: 1 м, скаляр (имеет модуль, но не имеет направления), однозначно не определяет конечное положение тела.

Перемещение - вектор, соединяющий начальное и последующее положения тела, обозначение - S, единица измерения в СИ: 1 м, вектор (имеет модуль и направление), однозначно определяет конечное положение тела.

Скорость – векторная физическая величина, равная отношению перемещения тела к промежутку времени, за которое это перемещение произошло.

Механическое движение бывает поступательным, вращательным и колебательным.

Поступательным движением называют движение, при котором любая прямая, жестко связанная с телом, перемещается, оставаясь параллельной самой себе. Примерами поступательного движения являются движение поршня в цилиндре двигателя, движение кабин «чертова колеса» и т.д. При поступательном движении все точки твердого тела описывают одинаковые траектории и в каждый момент времени имеют одинаковые скорости и ускорения.

Вращательным движением абсолютно твердого тела называют такое движение, при котором все точки тела движутся в плоскостях, перпендикулярных к неподвижной прямой, называемой осью вращения, и описывают окружности, центры которых лежат на этой оси (роторы турбин, генераторов и двигателей).

Колебательное движение – это движение, периодически повторяющееся в пространстве с течением времени.

Системой отсчета называется совокупность тела отсчета, системы координат и способа измерения времени.

Тело отсчета – любое тело, выбираемое произвольно и условно считаемое неподвижным, относительно которого изучается расположение и движение других тел.

Система координат состоит из выделенных в пространстве направлений – осей координат, пересекающихся в одной точке, называемой началом отсчета и выбранного единичного отрезка (масштаба). Система координат нужна для количественного описания движения.

В декартовой системе координат положение точки А в данный момент времени по отношению к этой системе определяется тремя координатами х, у и z, или радиусом-вектором .

Траекторией движения материальной точки называется линия, описываемая этой точкой в пространстве. В зависимости от формы траектории движение может быть прямолинейным и криволинейным.

Движение называется равномерным, если скорость материальной точки с течением времени не изменяется.

Действия с векторами:

Скорость – векторная величина, показывающая направление и быстроту перемещения тела в пространстве.

Всякому механическому движению присущ абсолютный и относительный характер.

Абсолютный смысл механического движения состоит в том, что если два тела сближаются или удаляются друг от друга, то они будут сближаться или удаляться в любой системе отсчета.

Относительность механического движения заключается в том, что:

1) бессмысленно говорить о движении, не указав тело отсчета;

2) в разных системах отсчета одно и то же движение может выглядеть по-разному.

Закон сложения скоростей: Скорость тела относительно неподвижной системы отсчета равна векторной сумме скорости этого же тела относительно подвижной системы отсчета и скорости подвижной системы относительно неподвижной.

Работа № 2

Работа № 3

Динамика. Силы в природе

 

Основные положения:

Динамика изучает движение материальных тел под действием приложенных к ним сил. В основе динамики лежат законы механики Ньютона, из которых получаются все уравнения и теоремы, необходимые для решения задач динамики.

Первый закон Ньютона отражает свойство инерции, тел и часто называется законом инерции. Он утверждает, что всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока воздействие со стороны других тел не заставит его изменить это состояние. Этот закон выполняется только в инерциальных системах отсчета.

Инерциальная система отсчета – это та система, относительно которой тело при компенсации внешних воздействий сохраняет свою скорость постоянной.

Неинерциальной системой отсчета называется система отсчета, в которой свободная материальная точка не сохраняет скорость движения постоянной.

Воздействие одного физического тела на другое характеризуется физической величиной, называемой силой. Сила, действующая на тело, сообщает ему ускорение. Величина полученного ускорения пропорциональна приложенной силе. Свойство тела требовать некоторого времени для изменения своей скорости называют инертностью тела. Свойство инертности позволяет нам измерять массу тел и другим способом – методом взаимодействия. Он основан на сравнении инертных свойств изучаемого тела и гирь.

Физическая величина, являющаяся мерой инертности тела, называется массой тела.

Единица массы в СИ – 1 кг.

В механике Ньютона считается, что:

1) масса тела не зависит от скорости его движения;

2) масса тела равна сумме масс всех частиц, из которых оно состоит.

3) Закон сохранения массы: при любых процессах, протекающих в системе тел, ее масса остается неизменной.

Второй закон Ньютона может быть записан в форме:

.

Ускорение, приобретаемое телом, прямо пропорционально равнодействующей всех сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально массе этого тела.

Третий закон Ньютона имеет дело со взаимодействующими телами. Он утверждает, что силы, с которыми действуют друг на друга взаимодействующие тела, равны по величине и противоположны по направлению.

В 1687 г. Ньютон на основании уже обнаруженных к тому времени на опыте законов движения планет установил, что всякие два тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению масс тел и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Например, материальная точка с массой m₁, находящаяся на расстоянии r от другой материальной точки с массой m₂, будет притягиваться последней с силой:

.

Сила, возникающая при деформации тела, — упругая сила.

Закон Гука: Сила упругости, возникающая при деформации, прямо пропорциональна величине деформации и направлена противоположно ей.

F_х =- k x,

где k — коэффициент пропорциональности, а x — величина деформации тела; x > 0 при растяжении тела, x < 0 — при сжатии.

Сила трения – это сила, возникающая при непосредственном соприкосновении движущихся тел. Сила трения, действующая на тело, направлена в сторону, противоположную его скорости. Сила трения скольжения противоположна направлению силы, заставляющей тело скользить. В то время как сила F = P sinα, сила трения

F_TP = μ· N = μ· P · cosα,

μ – коэффициент трения.

 

Вращение твердого тела

Основные положения:

Движение, при котором все точки тел описывают окружности, лежащие в параллельных плоскостях с центрами, расположенными на одной неподвижной прямой, называется вращательным движением тела. Прямая АВ называется осью вращения. Угловая скорость для всех точек вращающегося тела одинакова, линейные скорости различны: чем дальше расположена точка от центра вращения, тем больше ее линейная скорость.

 

Для того чтобы вызвать вращение тела, к нему надо приложить силу F, которая:

1) действует в плоскости Р, перпендикулярной оси вращения;

2) не проходит через эту ось;

3) направлена под прямым углом к радиусу, проведенному от оси вращения к точке приложения силы.

Действие силы тем больше, чем дальше расположена точка ее приложения от оси вращения. Это учитывается с помощью величины, называемой вращающим моментом.

Момент инерции тела относительно оси вращения – это физическая величина, равная сумме произведений масс n материальных точек тела на квадраты их расстояний до рассматриваемой оси:

Колебания и волны

Основные положения:

Колебательное движение – движение, точно или приблизительно повторяющееся через одинаковые промежутки времени.

Колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса, являются гармоническими.

Периодом колебаний Т называется наименьший промежуток времени, по истечение которого повторяются значения всех величин, характеризующих колебательное движение. За этот промежуток времени совершается одно полное колебание.

Частотой периодических колебаний называется число полных колебаний, которые совершаются за единицу времени. .

Циклической (круговой) частотой колебаний называется число полных колебаний, которые совершаются за 2π единиц времени.

, тогда

Гармоническими колебаниями называются колебания, при которых колеблющаяся величина х изменяется с течением времени по закону:

,

где А, ω, φ₀ – постоянные величины.

А > 0 – величина, равная наибольшему абсолютному значению колеблющейся величины х и называется амплитудой колебаний.

Выражение определяет значение х в данный момент времени и называется фазой колебаний.

В момент начала отсчета времени (t = 0) фаза колебаний равна начальной фазе φ_0.

Математический маятник – это идеализированная система, представляющая собой материальную точку, подвешенную на тонкой, невесомой и нерастяжимой нити.

Период свободных колебаний математического маятника: .

Пружинный маятник – материальная точка, закрепленная на пружине и способная совершать колебания под действием силы упругости.

Период свободных колебаний пружинного маятника: .

Физический маятник – это твердое тело, способное вращаться вокруг горизонтальной оси под действием силы тяжести.

Период колебаний физического маятника: .

Теорема Фурье: любой реальный периодический сигнал можно представить в виде суммы гармонических колебаний с различными амплитудами и частотами. Эту сумму называют гармоническим спектром данного сигнала.

Вынужденными называют колебания, которые вызваны действием на систему внешних сил F(t), периодически изменяющихся с течением времени.

Сила F(t) называется возмущающей силой.

Затухающими колебаниями называются колебания, энергия которых уменьшается с течением времени, что связано с убылью механической энергии колеблющейся системы за счет действия сил трения и других сил сопротивления.

Если частота колебаний системы совпадает с частотой возмущающей силы, то резко возрастает амплитуда колебаний системы. Это явление называется резонансом.

Распространение колебаний в среде называется волновым процессом, или волной.

Волна называется поперечной, если частицы среды колеблются в направлении, перпендикулярном направлению распространения волны.

 

 

Волна называется продольной, если колеблющиеся частицы движутся в направлении распространения волны. Продольные волны распространяются в любой среде (твердой, жидкой, газообразной).

 

Распространение поперечных волн возможно только в твердых телах. В газах и жидкостях, которые не обладают упругостью формы, распространение поперечных волн невозможно.

Длиной волны называется расстояние между ближайшими точками, колеблющимися в одинаковой фазе, т.е. расстояние, на которое распространяется волна за один период.

,

Скорость волны V – это скорость распространения колебаний в среде.

Период и частота волны – период и частота колебаний частиц среды.

Длина волны λ – расстояние, на которое распространяется волна за один период: .

Звук – упругая продольная волна, распространяющаяся от источника звука в среде.

Восприятие звуковых волн человеком зависит от частоты, слышимые звуки от 16 Гц до 20000Гц.

Звук в воздухе – это продольная волна.

Высота тона определяется частотой звуковых колебаний, громкость звука – его амплитудой.

Работа № 8

Гидро- аэродинамика

Основные положения:

Несжимаемая жидкость – жидкость, плотность которой одинакова и не меняется со временем.

Физическая величина, определяемая нормальной силой, действующей со стороны жидкости на единицу площади, называется давлением: . Единица измерения давления – Паскаль (Па).

Закон Паскаля: давление в любом месте покоящейся жидкости передается одинаково по всем направлениям.

Гидростатическое давление – давление внутри покоящейся жидкости. .

Движение жидкостей существенно усложняется по сравнению с движением твердых тел, тем, что существует возможность перемешивания слоев жидкости. При малых скоростях слои жидкости не перемешиваются. Течение, при котором струи не перемешиваются и в каждой точке сечения потока существует определенная скорость течения, называется стационарным слоистым или ламинарным. В этом случае можно ввести понятие о линии тока – траектории отдельного элемента объема жидкости, непересекаемой никакой другой линией тока. Совокупность таких линий тока, опирающаяся на некоторое элементарное сечение, называется трубкой тока. Трубки тока никогда не пересекаются друг с другом, и жидкость никогда не выходит через стенки трубки тока. Все сечение трубы, заполненное слоистым потоком жидкости, является макроскопической трубкой тока.

При стационарном течении линии тока совпадают с траекторией движения частиц жидкости.

При увеличении скорости слои жидкости перемешиваются, такое течение называется турбулентным.

При стационарном течении масса жидкости, проходящей через любое поперечное сечение трубки в единицу времени, остается неизменной. Уравнение неразрывности для стационарного течения жидкости: .

В случае несжимаемой жидкости ее плотность везде одинакова и тогда можно записать: S∙ V = const

Работа № 9

Молекулярная физика

Основные положения:

Раздел физики, изучающий зависимость строения и физических свойств тел от характера движения и взаимодействия между частицами, из которых состоят тела, называют молекулярной физикой.

Основные положения МКТ:

1. Все тела состоят из атомов (молекул).

2. Атомы и молекулы вещества находятся в непрерывном хаотичном движении, которое называют тепловым движением.

3. Между частицами любого вещества существуют силы взаимодействия – притяжения и отталкивания.

Атомом называется наименьшая частица данного химического элемента. Каждому химическому элементу соответствует вполне определенные атомы, сохраняющие химические свойства данного элемента. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, движущихся в поле ядра. Электрический заряд ядра равен абсолютной величине суммарного заряда всех электронов атома, поэтому атом является электрически нейтральным.

Молекулой называется наименьшая устойчивая частица данного вещества, обладающая его основными химическим свойствами. Молекула состоит из одного или нескольких атомов одинаковых или различных химических элементов. Атомы соединяются в молекулу за счет химических связей, основанных на различных взаимодействиях внешних (валентных) электронов. Молекула также электрически нейтральна.

Количеством вещества называется физическая величина, определяемая числом молекул, атомов или ионов, из которых состоит вещество. Единицей количества вещества является 1 моль. Число атомов, молекул или ионов, содержащихся в одном моле вещества, называется числом Авогадро. Na = 6.02 ·10²³ 1/моль. Такое количество вещества содержится в углероде массой 12 г.

Объем одного моля вещества называется молярным объемом, молярная масса – это масса одного моля вещества.

Размеры атома определяются тем расстоянием от центра, на котором находятся валентные электроны или внешние заполненные электронные оболочки атома.

Доказательством основных положений МКТ являются диффузия и броуновское движение.

Броуновское движение – тепловое движение взвешенных в газе или жидкости частиц. Английский ботаник Роберт Броун (1773 – 1858) в 1827 г. обнаружил беспорядочное движение видимых в микроскоп твердых частиц, находящихся в жидкости. Это движение не прекращается; с увеличением температуры его интенсивность растет. Броуновское движение – результат флуктуации давления (заметного отклонения от средней величины).

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии вместо реального газа используется его физическая модель - идеальный газ. В модели предполагается:

- расстояние между молекулами намного больше их диаметра;

- молекулы – упругие шарики;

- между молекулами не действуют силы притяжения;

- при соударении молекул друг с другом и со стенками сосуда действуют силы отталкивания;

- движения молекул подчиняется законам механики.

Изотермический процесс – процесс изменения состояния газа при неизменной температуре для данной массы газа, подчиняется закону Бойля-Мариотта: для данной массы газа при постоянной температуре давление газа изменяется обратно пропорционально объему. .

Изобарный процесс – процесс изменения данной массы газа при неизменном давлении, подчиняется закону Гей-Люссака: для данной массы газа при постоянном давлении объем газа изменяется линейно с температурой. .

Изохорный процесс – процесс изменения состояния газа данной массы при неизменном объеме, подчиняется закону Шарля: для данной массы газа при постоянном объеме давление газа изменяется линейно с температурой. , где γ – термический коэффициент давления газа.

Между термодинамической шкалой, или шкалой Кельвина, и шкалой по Цельсию существует связь: Т = t + 273.

Парциальным давлением газа, входящего в газовую смесь, называют давление, которое создавал бы этот газ, если бы он занимал весь объем, предоставленный смеси.

Закон Дальтона: давление газовой смеси равно сумме парциальных давлений всех газов смеси: р = р₁ + р₂ + р₃… + р_n + …

Уравнение Менделеева-Клапейрона: .

Уравнение Клаузиуса: Давление газа прямо пропорционально средней кинетической энергии поступательного движения молекул, содержащихся в единице объема.

, где n – концентрация молекул, Е_k – средняя кинетическая энергия молекул. Одним из основных понятий в молекулярной физике является понятие температуры.

Температура Т – это мера содержащейся в теле теплоты, особой формы энергии, обусловленной тепловым движением молекул. Температура является мерой средней кинетической энергии хаотического движения молекул. Связь между температурой и средней кинетической энергией устанавливает уравнение Больцмана:

kT, где k – 1,38 ·10^-23 Дж/К.

Кельвин предложил принять температуру t = -273°C за абсолютный ноль новой шкалы температуры, называемой термодинамической шкалой Кельвина. Т = t + 273.

Прибор для измерения температуры – термометр основан на тепловом расширении тел (газов и жидкостей).

 

Работа № 10

Термодинамика

Основные положения:

Для описания тепловых явлений используют два основных метода: молекулярно-кинетический и термодинамический.

Термодинамический метод исходит из основных опытных законов, получивших название начал термодинамики.

Термодинамика изучает только равновесные состояния, т.е. такие, при которых параметры р, V, Т термодинамической системы не меняются с течением времени. Термодинамическая система как совокупность множества атомов и молекул обладает внутренней энергией

Внутренней энергией тела называется энергия, зависящая только от термодинамического состояния тела или системы тел. Она состоит из следующих частей:

1) кинетическая энергия теплового движения частиц;

2) потенциальная энергия взаимодействия частиц;

3) энергия электронов, атомов и ионов;

3) внутриядерная энергия.

Началом отсчета внутренней энергии считается такое состояние системы, в котором U = 0, обычно это происходит при T = 0 – абсолютный ноль (-273°С).

В соответствии с определением можно записать:

Внутренняя энергия идеального одноатомного газа: .

Внутренняя энергия любой массы идеального газа:

, где i – число степеней свободы.

Мерой энергии, получаемой или отдаваемой телом в процессе теплообмена, служит количество теплоты Q. Работа и теплота являются не видом энергии, а формой ее передачи.

Количество теплоты, необходимое, чтобы нагреть тело массой m от температуры T до температуры T+ΔТ равно Q = cm ΔТ.

В процессе теплообмена взаимодействующие тела передают друг другу некоторое количество теплоты от более горячих тел к холодным, если не учитывать потери тепла в окружающую среду, то теплота переданная должна быть равна принятой, т.е. имеет место уравнение теплового баланса: Q₁+Q₂+…+Q_n = 0

Кроме удельной теплоемкости существуют следующие удельные величины:

λ- удельная теплота плавления или кристаллизации;

r – удельная теплота парообразования или конденсации;

q – удельная теплота сгорания топлива.

Первое начало термодинамики: изменение внутренней энергии тела равно сумме сообщенного телу количества теплоты и произведенной над ним механической работы: .

Функция, характеризующая направление протекания самопроизвольных процессов в замкнутой термодинамической системе, называется энтропией S.

Энтропия характеризует степень упорядоченности термодинамической системы.

Второе начало термодинамики: в замкнутой системе не могут протекать процессы, которые приводят к уменьшению энтропии системы.

У веществ в различных агрегатных состояниях отличаются физические свойства.

Работа № 11

Электрические явления

Основные положения:

Электростатика изучает взаимодействия и свойства систем неподвижных электрических зарядов.

Элементарный заряд равен модулю заряда электрона: .

Электрический заряд – физическая величина, характеризующая интенсивность электромагнитных взаимодействий. Единицей заряда в СИ является Кулон (Кл).

Точечным зарядом называется заряженное тело, размерами которого можно пренебречь в условиях данной задачи.

При электризации тел выполняется закон сохранения электрического заряда. Этот закон справедлив для системы, в которую не входят извне и из которой не выходят наружу заряженные частицы, т. е. для замкнутой системы. В замкнутой системе алгебраическая сумма зарядов всех частиц остается неизменной.

Закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними: ,где = 9 ·10⁹ Нм²/Кл².

Коэффициент k численно равен силе взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме по 1 Кл, находящихся на расстоянии 1 м.

- электрическая постоянная.

Электрические заряды взаимодействуют посредством электрического поля – особого вида материи.

Напряженностью электрического поля называют векторную величину, равную отношению силы, действующую на положительный заряд в данной точке поля, к величине этого заряда. .

В СИ [Е] = [H/Кл].

Потенциалом электрического поля в данной точке называют величину, равную отношению работы, совершаемой полем при перемещении им пробного положительного заряда из данной точки на бесконечность к этому заряду: .

В СИ [φ] Дж/Кл = В.

По способности проводить электрические заряды все вещества делятся на проводники и диэлектрики.

Способность системы проводников накапливать электрический заряд называется электроемкостью: .

В СИ [C] = Ф.

Конденсатором называют систему двух проводников, разделенных слоем диэлектрика.

Электрический ток – упорядоченное движение свободных заряженных частиц.

Сила тока – скалярная величина, равная величине заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника за единицу времени: .

В СИ [I] = A.

Величину, характеризующую работу сторонних сил, называют электродвижущей силой. ЭДС равна работе А, совершаемой сторонними силами, при перемещении единичного положительного заряда q внутри источника тока. .

В СИ [ ε ] = 1В.

Электрическим сопротивлением называется величина R, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению в нем электрического тока.

Закон Ома для участка цепи: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна его сопротивлению: .

Закон Ома для полной цепи: сила тока в цепи равна отношению ЭДС цепи к ее полному сопротивлению: .

Закон Джоуля-Ленца: Количество теплоты, выделившееся в проводнике с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока.

Работа № 12

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Основные положения:

Магнитное поле – это особый вид материи, посредством которого движущиеся заряды (токи) взаимодействуют с магнитами или с другими движущимися зарядами.

Магнитные линии – это линии, касательные к которым в каждой точке поля совпадают с направлением вектора магнитной индукции, а густота пропорциональна модулю вектора магнитной индукции в данном месте поля.

Направление магнитных линий определяется правилом правой руки (правилом буравчика).

На проводник с током в магнитном поле действует сила, называемая силой Ампера.

Направление силы Ампера определяется правилом левой руки. Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора индукции входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца были направлены по току, то отогнутый на 90 ° большой палец покажет направление действующей на отрезок проводника силы.

Закон Ампера: Сила Ампера, действующая на отрезок проводника длиной ∆l с силой тока I, находящийся в магнитном поле B:

F = IB∆l sin α.

Сила, действующая на одну заряженную частицу, движущуюся в постоянном магнитном поле, равна:

FЛ = qVB sin α.

Эту силу называют силой Лоренца. Угол α в этом выражении равен углу между скоростью и вектором магнитной индукции. Направление силы Лоренца, действующей на положительно заряженную частицу, так же как и направление силы Ампера, может быть найдено по правилу левой руки.

 

Работа № 13

ОПТИКА

Основные положения:

Оптика – раздел физики, изучающий природу света, его испускание, распространение и взаимодействия с веществом.

Свет имеет двойственную природу. С одной стороны, свет представляет собой электромагнитную волну, с другой – поток частиц – фотонов. Поэтому говорят о корпускулярно-волновом дуализме света.

Геометрическая оптика – раздел оптики, в котором свет рассматривается в виде геометрического луча, который указывает направление его распространения и изменение этого направления.

Закон прямолинейного распространения света: свет в однородной среде распространяется прямолинейно и равномерно.

Закон независимости световых лучей: световые лучи при пересечении не возмущают друг друга.

На границе раздела двух сред свет изменяет направление своего распространения. Часть света возвращается в первую среду. Это явление называется отражением света.

Закон отражения света: Луч падающий, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения, лежат в одной плоскости. Угол падения равен углу отражения.

Закон преломления: луч, падающий, луч преломленный и перпендикуляр к границе раздела в точке падения, лежат в одной плоскости; отношение синуса угла падения к синусу угла преломления есть величина постоянная для данных сред: , где n₂₁ – относительный показатель преломления второй среды относительно первой.

Абсолютный показатель преломления n равен отношению скорости электромагнитных волн в вакууме к их фазовой скорости в данной среде:

Линза – прозрачное тело, ограниченное с двух сторон сферическими поверхностями.

По внешней форме линзы делятся на: двояковыпуклые, плосковыпуклые, двояковогнутые, плосковогнутые и т.д. Главная оптическая ось линзы – прямая, проходящая через центр кривизны поверхности линзы. Фокус линзы – точка F, лежащая на главной оптической оси, в которой пересекаются лучи параксиального (приосевого) светового пучка, распространяющиеся параллельно главной оптической оси.

а) ход лучей в собирающей линзе б) ход лучей в рассеивающей линзе

Оптический центр линзы – точка, лежащая на главной оптической оси и обладающая тем свойством, что лучи проходят сквозь нее, не преломляясь.

Фокусное расстояние – расстояние между фокусом и оптическим центром линзы.

Формула тонкой линзы: , где d – расстояние от предмета до линзы, f – расстояние от линзы до изображения.

Оптическая сила линзы - , где

n – относительный показатель преломления;

R – радиусы кривизны поверхностей, R> 0 для выпуклой линзы, R< 0 для вогнутой.

[D] = 1 Дптр (диоптрий).

Физическая оптика изучает проблемы, связанные с природой света и световых явлений. Рассмотрим волновую теорию распространения света.

Интерференция света – это сложение двух или нескольких световых волн, вследствие чего наблюдается устойчивая во времени картина усиления или ослабления результирующих колебанийв различных точках пространства.