Принцип действия и использование лазера.

Лазер или оптический квантовый генератор это современные когерентные источники излучения. В основе работы лазера лежит усиление света при помощи индуцированного излучения.

Сейчас созданы разные типы лазеров: газовые, твердотельные, полупроводниковые, излучающий свет в различных диапазонах. Лазер может работать в импульсном и непрерывном режимах.

Свойства лазерного излучения.

1. Это самые мощные источники света. Мощность от долей милливатта до 10¹³ Ватт.

2. Одним из важнейших свойств лазера является его высокая монохроматичность

3. Луч лазера имеет очень малый угол расхождения.

Лазеры нашли широкое применение в военной технике, медицине, связи, локации, металлообработке, быту и т. д.

В 1916 году Эйнштейн предсказал, что переход электрона с верхнего энергетического уровня на нижний может произойти под влиянием внешнего электромагнитного излучения, частота которого рана собственной частое излучения атома. Такое излучение называют индуцированным. Замечательной особенностью этого излучения является то, что возникшая при индуцированном излучении электромагнитная волна не отличается от волны, вызвавшей излучение ни фазой, ни частотой, ни поляризацией. При этом будет происходить усиление излучения., что и используют в лазерах.

В 1954 году русские ученые Прохоров и Басов и независимо от них американский ученый Таунс использовали индуцированное излучение для создания первого лазера, работающего в диапазоне микрорадиоволн (λ = 1, 27 см). За это открытие они получили Нобелевскую премию.

Для создания лазера нужна активная среда, в которой бы создавалась инверсная населенность уровней, т. е. на одном из уровней происходило некоторое время накопление возбужденных атомов. Например, в кристалле рубина используется трехуровневая система. Сначала идет возбуждение атомов, в результате чего они оказываются на третьем уроне, где находятся около 10^-8 с.От туда они самопроизвольно переходят на второй уровень, где могут находится значительно дольше, а поэтому там накапливаются. Если рубин осветить светом с частотой, соответствующей переходу атомов со второго на первый уровень (резонансная частота), то все атому одновременно перейдут со второго уровня на первый, излучая кванты с той же частотой, а значит усиливая свет. Рубиновый лазер работает в импульсном режиме.

Самоиндукция.

Самоиндукция – это явление, которое заключается в том, что если ток I, текущий в проводнике меняется, то в этом же проводнике возникает ещё и индукционный ток, называемый током самоиндукции - I_si

Явление самоиндукции возникает только в тех цепях, в которых ток меняется.

По правилу Ленца, если ток I в проводнике нарастает, то ток самоиндукции I_si будет ему противонаправлен.

Если ток I в проводнике убывает, то ток самоиндукции I_si будет с ним сонаправлен.

Явление самоиндукции заключается в появле­нии ЭДС индукции в самом проводнике при измене­нии тока в нем. Примером явления самоиндукции является опыт с двумя лампочками, подключенными параллельно через ключ к источнику тока, одна из которых подключается через катушку.

При замыкании ключа лампочка 2, включенная через ка­тушку, загорается позже лампочки 1. Это происхо­дит потому, что после замыкания ключа ток достига­ет максимального значения не сразу, магнитное поле нарастающего тока породит в катушке индукцион­ную ЭДС, которая в соответствии с правилом Ленца будет мешать нарастанию тока.

Для самоиндукции выполняется установлен­ный опытным путем закон: ЭДС самоиндукции пря­мо пропорциональна скорости изменения тока в проводнике. ξ = L ΔI/t.

Коэффициент пропорциональности L называют индуктивностью. Индуктивность — это величина, равная ЭДС самоиндукции при скорости изменения тока в проводнике 1 А/с. Индуктивность измеряется в генри (Гн). 1 Гн = 1 Вс/А.

1 генри — это индук­тивность такого проводника, в котором возникает ЭДС самоиндукции 1 вольт при скорости изменения тока 1 А/с. Индуктивность характеризует магнитные свойства электрической цепи (проводника), зависит от магнитной проницаемости среды сердечника, раз­меров и формы катушки и числа витков в ней.

При отключении катушки индуктивности от источника тока лампа, включенная параллельно ка­тушке, дает кратковременную вспышку. Ток в цепи возникает под дей­ствием ЭДС самоиндукции. Ис­точником энергии, выделяю­щейся при этом в электри­ческой цепи, является магнит­ное поле катушки. Энергия магнитного поля находится по формуле

W_m == LI²/2.

Энергия магнитного поля зависит от индук­тивности проводника и силы тока в нем. Эта энергия может переходить в энергию электрического поля. Вихревое электрическое поле порождается перемен­ным магнитным полем, а переменное электрическое поле порождает переменное магнитное поле, т. е. пе­ременные электрическое и магнитное поля не могут существовать друг без друга. Их взаимосвязь позво­ляет сделать вывод о существовании единого элек­тромагнитного поля.

 

 

3. Решите задачу: На каком расстоянии находятся заряды величиной 4 · 10 ^{– 6} Кл и 2 · 10 ^{– 6} Кл, если они находятся в керосине и отталкиваются с силой 40 Н? Диэлектрическая проницаемость керосина равна 2.

Решение: из закона Кулона для среды F = k • q₁q₂/er², k = 9 • 10⁹ Н • м²/Кл² выводим расчётную формулу для определения расстояния: r²= k • q₁q₂/e F. Ответ:3см.

 

 

Билет №34

Индуктивность

Возьмем проводник и пропустим по нему постоянный электрический ток от источника тока.

В пространстве около проводника возникнет магнитное поле. Ф = BScos α – магнитный поток через площадь ограниченную проводником, при прохождению по нему тока I.

Магнитный поток Ф, через площадь ограниченную проводником, прямо пропорционален индукции магнитного поля, созданного током I, проходящим по проводнику.

Ф ~ В, но В ~ I, следовательно: Ф ~ I

Введём коэффициент пропорциональности L – индуктивность проводника, тогда:

Ф = LI – магнитный поток, через площадь ограниченную проводником, при прохождении по нему тока I.

Если величина тока изменяется, то ∆Ф =L ∆I – изменение магнитного потока, через площадь ограниченную проводником, при изменении тока в этом проводнике.

L – индуктивность проводника – это физическая величина характеризующая способность проводника противодействовать изменению тока в нём. Чем больше индуктивность проводника, тем сильнее он сопротивляется изменению тока в нём.

[L]_си = [Ф]_си/[I]_си = Вб/А = Гн (Генри)

Индуктивность проводника L = 1 Гн = 1 Вб/ 1 А- это значит, что если ток в этом проводнике изменить на 1 А, то магнитный поток, созданный этим током через площадь ограниченную проводником изменится на 1 Вб.

Величина тока самоиндукции I_si зависит от индуктивности проводника.

L – индуктивность проводника – это физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать изменению тока в нём.

Чем больше индуктивность проводника, тем больше ток самоиндукции в нём.

[L]_си = Гн (Генри)

Наименьшей индуктивностью обладают прямые проводники.

Наибольшей индуктивностью обладают катушки с сердечником.

L катушки зависит:

1. От её размеров. Чем больше площадь сечения катушки и её длина, тем больше индуктивность.

2. От числа витков. Чем больше витков в катушке, тем больше индуктивность.

3. От наличия в катушке железного сердечника. Железный сердечник увеличивает индуктивность катушки.

2. Влажность воздуха.

Испарение — парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Неравномерное распределение кинети­ческой энергии теплового движения молекул приво­дит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура тела зависит от скорости

движения его молекул, следовательно, испарение со­провождается охлаждением жидкости. Скорость ис­парения зависит: от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жид­кости. Конденсация — процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.

Испарение жидкости в закрытом сосуде при неизменной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала испарения концентрация вещест­ва в газообразном состоянии достигнет такого значе­ния, при котором число молекул, возвращающихся в жидкость, становится равным числу молекул, поки­дающих жидкость за то же время. Устанавливается динамическое равновесие между процессами испа­рения и конденсации вещества. Вещество в газооб­разном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром. (Паром называют совокупность молекул, по­кинувших жидкость в процессе испарения.) Пар, на­ходящийся при давлении ниже насыщенного, назы­вают ненасыщенным.

Вследствие постоянного испарения воды с по­верхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосфер­ное давление представляет собой сумму давления су­хого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отли­чие от ненасыщенного не подчиняется законам иде­ального газа. Так, давление насыщенного пара не за­висит от объема, но зависит от температуры. Эта зависимость не может быть выражена простой форму­лой, поэтому на основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от темпера­туры составлены таблицы, по которым можно опре­делить его давление при различных температурах.

Давление водяного пара, находящегося в воз­духе при данной температуре, называют абсолютной влажностью, или упругостью водяного пара. По­скольку давление пара пропорционально концентра­ции молекул, можно определить абсолютную влаж­ность как плотность водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в ки­лограммах на метр кубический (р).

Большинство явлений, наблюдаемых в приро­де, например быстрота испарения, высыхание раз­личных веществ, увядание растений, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от того, на­сколько это количество близко к насыщению, т. е. от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.

При низкой температуре и высокой влажности повышается теплопередача и человек подвергается переохлаждению. При высоких температурах и влажности теплопередача, наоборот, резко сокра­щается, что ведет к перегреванию организма. Наибо­лее благоприятной для человека в средних климати­ческих широтах является относительная влажность 40—60%. Относительной влажностью называют от­ношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах, т. е. = р/р₀ • 100%, или (р = р/р₀ • 100%.

 

Относительная влажность колеблется в широ­ких пределах. Причем суточный ход относительной влажности обратен суточному ходу температуры. Днем, с возрастанием температуры, и следовательно, с ростом давления насыщения относительная влаж­ность убывает, а ночью возрастает. Одно и то же ко­личество водяного пара может либо насыщать, либо не насыщать воздух. Понижая температуру воздуха, можно довести находящийся в нем пар до насыще­ния. Точкой росы называют температуру, при кото­рой пар, находящийся в воздухе, становится насы­щенным. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начи­нается конденсация водяного пара. Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами

 

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

Решение: по закону сохранения импульса m_тv_т= (m_т+m_с)v. Отсюда определяем скорость тепловоза с составом. Ответ: v= m_тv_т/(m_т+m_с), v=0,2 м/с

 

Билет №35

1. Радиоактивные излучения и их воздействие на живые организмы

Атом – наименьшая частица химического элемента, каждому химическому элементу соответствует определенный род атомов, обозначаемый специальным символом. Долгое время атом считался

неделимым.

К началу 20 века накопился ряд фактов, указывающих на сложную структуру атома: открытие

электрона, рентгеновских лучей, явления радиоактивности.

Естественной радиоактивностью называют самопроизвольное превращение одних ядер одних

химических элементов в другие, сопровождающееся испусканием различных частиц.

Открыто в 1896 году французским физиком Беккерелем. Он заметил, что уран излучает неизвестные

в то время невидимые лучи. В 1903 году он был удостоен за это открытие Нобелевской премии.

Французские ученые Пьер Кюри и Мария – Склодовская Кюри обнаружили еще ряд химических

элементов, обладающих радиоактивностью: торий, радий, полоний. В настоящее время известно,

что все химические элементы с порядковым номером более 83 являются радиоактивными.

В 1908 году Резерфорд установил, что невидимое излучение, при прохождении через магнитное или

электрическое поле разделяется на три составляющие: α-, β-,γ- лучи.

Было установлено, что α- лучи – это альфа частицы (поток ядер гелия); β- лучи – бета частицы

(поток быстрых электронов); γ- лучи – это электромагнитные волны с частотой 10²¹Гц.

1.α- лучи –обладают наименьшей проникающей способностью, их задерживает даже слой бумаги толщиной 0,1 мм.

2.β- лучи имеют большую проникающую способность, они задерживаются слоем металла толщиной в несколько мм.

3.γ- лучи обладают огромной проникающей способностью, их задерживает только слой синца в 5 - 10 см.

4.Свинец хорошо задерживает все виды излучения.

Радиоактивные излучения имеют следующие основные свойства:

5. Вызывают почернение фотопленки, т. е. производят химическое действие.

6. Вызывают ионизацию газов.

7. Вызывают люминесценцию, т. е. свечение некоторых веществ.

8. Радиоактивность не зависит от внешних условий: температуры, давления.

Тяжёлые ядра перегружены нейтронами, имеют небольшую удельную энергию связи и поэтому

являются неусточивыми.

Радиоактивные излучения оказывают сильное воздействие на живые ткани: вызывают мутацию клеток, изменяют наследственность, вызывают лучевую болезнь, раковые опухоли, поражают костный мозг, нарушают процесс образования крови.Эти излучения называют часто ионизирующими излучениями. Опасность их в том, что наш организм не чувствует это излучение.

Биологическое действие радиоактивных излучений характеризуется поглощенной дозой излучения – это отношение поглощенной энергии Е ионизирующего излучения к массе облучаемого вещества.

D = E/m [D]_CИ = Дж/кг = Гр (Грей)

1 Гр = 100 Р (Рентген). Рентген – внесистемная единица измерения дозы излучения..

Естественный радиационный фон – 0, 001 Гр Предельно допустимая доза за год – 0,05 Гр.

Доза 3- 10 Гр., полученная за короткое время смертельна.

При одинаковой поглощенной дозе разные виды излучения вызывают разные по величине биологические эффекты. Биологические эффекты, вызванные любыми ионизирующими излучениями, принято оценивать по сравнению с эффектом от гамма излучения.

К – коэффициент качества – это величина, показывающая во сколько раз опасность от воздействия на живой организм данного излучения больше чем от гамма излучения при одинаковых поглощенных дозах.

Например: для α – излучения к = 20 – это значит, что при одинаковой поглощенной дозе опасность от α – излучения в 20 раз больше чем от γ – излучения.

Для оценки биологических эффектов, вызванных разными излучениями была введена эквивалентная доза – Н. Н = D·К [ H] = Зв (Зиверт)