Непрерывный и линейчатый спектры. Спектры испускания и поглощения. Спектральный анализ и его применение

2. Непрерывный и линейчатый спектры. Спектры испускания и поглощения. Спектральный анализ и его применение.

Спектр – это цветные полосы, получающиеся в результате разложения света призмой )или другим предметом) по длинам волн. Различные вещества при поглощении энергии сами становятся источниками света и могут создавать излучения разнообразных составов, спектры которых исследуют с помощью специальных приборов – спектроскопов. Все спектры можно разделить на три типа: непрерывные, линейчатые и спектры поглощения.

Непрерывные спектры. Солнечный спектр, спектр электрической лампы являются непрерывными. В спектре нет разрывов, и на экране можно видеть сплошную цветную полоску. Такие спектры дают тела, находящиеся в твердом или жидком состоянии. Для получения видимого непрерывного спектра нужно нагреть тело до высокой температуры. Характер непрерывного спектра в сильной степени зависит от взаимодействия атомов друг с другом.

Линейчатые спектры. Их дают все вещества, находящиеся в газообразном атомарном (но не молекулярном) состоянии. В этом случае свет излучают атомы, которые практически не взаимодействуют друг с другом. Это самый фундаментальный тип спектров. Обычно для наблюдения линейчатых спектров используют свечение паров вещества в пламени или свечение газового разряда в трубке, наполненной исследуемым газом.

Спектры поглощения. Если пропускать белый свет сквозь холодный неизлучающий газ, то на фоне непрерывного спектра источника появляются темные линии. Газ поглощает наиболее свет как раз тех длин волн, которые он испускает в сильно нагретом состоянии. Темные линии на фоне непрерывного спектра – это линии поглощения, образующие в совокупности спектр поглощения.

Опытным путем оказалось, что светящиеся пары любого химического элемента излучают только одному ему свойственный спектр – набор монохроматических излучении, каждому из которых в спектре принадлежит своя линия. Анализ спектров дает возможность обнаружить и магнитные поля. При воздействии магнитного поля на излучающие атомы появляются линии- спутники. По спектрам ученые определяют энергетические уровни атомов и молекул. С появлением лазера появился новый раздел спектроскопии – лазерная спектроскопия. Лазеры с перестраиваемой частотой позволяют подобрать такую частоту излучения, при которой будет возбужден вполне определенный уровень изучаемого атома или молекулы. Лазеры с перестраиваемой частотой дают возможность достигнуть предельной чувствительности спектрального анализа – обнаруживать атомы элемента с концентрацией, скажем, в 100 атомов на 1 см^3 объем газа.

Спектральный анализ – это метод определения химического состава вещества по его спектру.

Билет 7

1.   1.   Основные положения МКТ и их опытное обоснование. Масса и размеры молекул. Постоянная Авогадро.

2.   2.   Колебательные движения. Гармонические колебания. Амплитуда, период, частота и фаза колебаний. Измерьте собственную частоту предложенной колебательной системы.

3.   3.   «ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ ПРОВОДИКОВ»

1. Можно выделить три основных положения молекулярно-кинетической теории, которая объясняет свойства тел, состоящих из огромного числа молекул, а также особенности тепловых процессов, в них протекающих:

1.   1.   вещество состоит из отдельных мельчайших частиц, называемых молекулами; молекула – это наименьшая электрически нейтральная частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами и могущая существовать самостоятельно;

2.   2.   молекулы находятся в беспристрастном, хаотическом движении;

3.   3.   молекулы взаимодействуют друг с другом.

Реальное существование молекул подтверждает огромное количество экспериментальных фактов. Так, всем известно, что твердое вещество можно раздробить либо растворить в воде или других растворителях. Мы знаем что газы могут расширятся или сжиматься. Броуновское движение или диффузия свидетельствуют о том. Что между молекулами одного и того же вещества есть промежутки.

Молекулы в веществе взаимодействуют друг с другом: наличие сил притяжения подтверждает тот факт, что тела сами по себе не распадаются на молекулы, а для разрыва, например, твердого тела требуется усилие. О наличии сил притяжения можно судить по тому, что две близко расположенные капли жидкости слипаются.

Твердые тела и жидкости практически несжимаемы. Само же существование твердых те и жидкостей свидетельствует о том, что силы отталкивания убывают с увеличением расстояния быстрее, чем силы притяжения. Если бы последние убывали быстрее сил отталкивания, то в природе просто не было бы больших устойчивых совокупностей молекул, так как молекулы разлетелись бы под действием под действием сил отталкивания.

Молекула – это наименьшая частица вещества, обладающая всеми его химическими свойствами. Молекула способна с самостоятельному существованию. Она может состоять из одинаковых атомов и различных. Сущность молекулы можно описать и с другой точки зрения: молекула -–это устойчивая система, состоящая из атомных ядер и окружающих электронов, причем химические свойства молекул определяются электронами внешних оболочек в атомах. Атомы объединяются в молекулы в большинстве случаев химическими связями. Обычно такая связь создается одной, двумя или тремя парами электронов, которыми владеют сообща два атома. Молекулы характеризуются определенным размером и формой. Если известны молекулярный вес и плотность данного вещества. То вычислить размер его молекул несложно. Для этого надо объем, занимаемый грамм – молекулой вещества, разделить на число Авогадро (6,02*10^23 1/моль). Зная диаметр молекулы и плотность вещества можно определить массу молекулы m=p*V

Из законов Авогадро:

-В равных объемах любого газа при одинаковых условиях содержится одинаковое количество молекул

-Моль любого вещества содержит одно и тоже число молекул.

Это число получило название число Авогадро. Число Авогадро определяется различными методами, некоторые из них основаны на изучении броуновского движения.

2.   2.   Колебательные движения. Гармонические колебания. Амплитуда, период, частота и фаза колебаний. Измерьте собственную частоту предложенной колебательной системы.

Колебание – это процесс, который точно или приблизительно повторяется во времени. Механические колебания – это механические движения, который точно или приблизительно повторяется во времени. Колебания, происходящие по закону синуса или косинуса – гармонические. Основные характеристики колебаний – это период, частота, амплитуда, т.е. физические величины, которые относятся к колебаниям в целом и не меняются на протяжении всего колебания. Амплитуда – это наибольшее смещение колеблющегося тела от положения равновесия (среднего положения). Еден. Измерения – м. Период – время одного колебания (измеряется в с). Частота – количество колебаний за 1 с (Гц, Т=1/v, Гц=1/с). Циклическая частота - … за 2П секунды (рад/с, w=2Пv, w=2п/v). Фаза – это выражение, стоящие под знаком синуса или косинуса (именно она определяет состояние системы (wt + фи0). Начальная фаза – это значение фазы в начальный момент времени. (измеряется в радианах). Свободные колебания – совершающиеся под действием внутренних сил (условие: внутренняя сила направлена к положению равновесия, очень небольшая сила трения).

Билет 8

1.   1.   Работа в термодинамике. Внутренняя энергия и способы ее измерения. Первый з-н термодинамики.

2.   2.   Генератор переменного тока. Трансформатор. Производство, передача и использование электрической энергии.

3.   3.   (Закон на применение закона сохранения импульса)

Работа в термодинамике или работа при изменении объема газа: Работа при изобарном расширении газа. А=F * l = p* S* l = p* V, где р – давление газа, V – изменение его объема.

Изохорический: V=0 => A=0, U =Q.

Изотермический Т=0 => U=0 Q=A

Изобарический Q= U+A

Адиабатический Q=0 (быстро) - U=A (работая остываю).

Первый закон термодинамики утверждает. Что всякое тело обладает внутренней энергией U, причем внутренняя энергия может уменьшаться, если тело совершает работу А, и увеличиваться, если ему сообщают теплоту Q. U = Q-A, где А – это работа совершаемая самой термодинамической системой над внешними телами.

В неизолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии дельта U равно разности между полученным количеством теплоты Q и работой А, совершаемой самой системой

Или

В неизолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии дельта U равно сумме количества теплоты Q ,переданной системе, и работы А внешних сил: дельта U=Q+A1; А1=-А.

Первый закон термодинамики – это всеобщий закон сохранения и превращения энергии. Из него следует, что если внутренняя энергия постоянна и тело не поучает и не отдает тепла, то оно не может совершить работу равную 0. Таким образом, нельзя получить работу из ничего или превратить ее ни во что. С позиции молекулярно – кинетической теории внутренняя энергия- это сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц, составляющих тело, и кинетической энергии их беспорядочного теплового движения. Внутренняя энергия – это еще один вид энергии, причем эта энергия существует всегда, она не зависит от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел. Она зависит от температуры, давления и объема. Молекулы – это сложные частицы, состоящие из взаимодействующих и колеблющихся атомом, которые тоже обладают энергией. Эйнштейн доказал, что полную энергию тела можно вычислить по формуле Е=m*с^2, где с=300000 км/с. Изменить ее можно совершением механической работы или теплопередачей. Внутренняя энергия идеального газа: если потенциальная энергия взаимодействия молекул равна 0, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий хаотического теплового движения всех молекул U=N*E=v*Na=3/2m/M RT, где v –  количество вещества в молях, к – постоянная Больцмана, Т – абсолютная температура,  m – масса газа, М – молярная масса газа,  R – универсальная газовая постоянная. P*V=m/M RT => U =3/2Pv.

2.   2.   Генератор переменного тока. Трансформатор. Производство, передача и использование электрической энергии.

Современная техника немыслима без индукционных генераторов переменного тока. В этих генераторах механическая энергия превращается в электрическую, а их действие основано на электромагнитной индукции. Поток магнитной индукции Ф, пронизывающий проволочную рамку площадью S, пропорционален магнитной индукции В, площади рамки и косинуса угла альфа между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции В:

Ф=В*S*cos(альфа). При вращении рамки с постоянной угловой скоростью, угол альфа увеличивается прямопропорционально времени альфа=wt. По закону электромагнитной индукции ЭДС индукции в рамке равна скорости изменения потока магнитной индукции, взятой со знаком минус, т.е. производной потока магнитной индукции по времени: е=-dФ/dt = -BwSsinwt=e1sinwt, где е1=BSw – амплитуда ЭДС индукции. Так как угловая скорость w=2Пv=2П/Т? то получаем е=е1*sin(2П/Т)*t. Чтобы получить большой магнитный поток, в генераторах применяют почти замкнутую магнитную систему, состоящую из двух сердечников, сделанных из специальной электротехнической стали. Обмотки, создающие магнитное поле, расположены в пазах одного из сердечников, а обмотки, в которых индуцируется ЭДС, - в пазах другого. Один из сердечников вместе со своей обмоткой вращается вокруг горизонтальной или вертикальной оси. Поэтому его называют ротором, другой статором. Ток к ротору подводят с помощью скользящих контактов. Для этого его снабжают контактными кольцами, присоединенными к концам обмотки. Неподвижные пластины – щетки – прижаты к кольцам и осуществляют связь обмотки ротора с внешней цепью. Сила тока в обмотках электромагнита, создающего магнитное поле, значительно меньше силы тока, отдаваемого генератором во внешнюю цепь. Поэтому генерируемый ток удобнее снимать с неподвижных обмоток, а через скользящие ко7такты подводить сравнительно слабый ток к вращающемуся электромагниту. Этот ток вырабатывается отдельным генератором постоянного тока (возбудителем), расположенным на том же валу. Если генератор приводится в действие паровой или газовой турбиной, то он называется турбогенератором. Если ротор вращается от ДВС, то дизель – генератор.

Выгодное отличие переменного тока от постоянного, в том, что можно сравнительно легко изменять его силу. Аппараты, преобразующие переменный ток одного напряжения в другое – называются электрическими трансформаторами. Состоит из нескольких катушек изолированного провода, размещенных на магнитопроводе из тонких пластин специально электротехнической стали. Переменный ток, текущий по одной из обмоток (первичной). Создает вокруг нее и в магнитопроводе переменной магнитное поле, пересекающее витки другой (вторичной), возбуждает в ней переменную электродвижущую силу. Если обе обмотки имеют равное количество витков, то в ней наведется такое же напряжение, какое в первичной. Если не равное количество, то трансформатор может быть повышающим (во вторичной обмотке больше витков), понижающим – наоборот. Действие основано на явлении электромагнитной индукции. При прохождении переменного тока по первичной обмотке в сердечнике появляется переменный магнитный поток, который возбуждает ЭДС индукции в каждой обмотке. Сердечник из трансформаторной стали концентрирует магнитное поле, так что магнитный поток практически существует только внутри сердечника и одинаков во всех его сечениях.

U1/U2 = I2/I1, U1/U2 = E1/E2 = n1/n2 = К, где К – коэффициент трансформации, при к>0 –понижающий…. Пир разомкнутой вторичной обмотки трансформатор с малым активным сопротивлением первичной обмотки почти не потребляет энергию из сети, так как велико индуктивное сопротивление ненагруженной обмотки трансформатора. Если к концам вторичной обмотки присоединить цепь, то сила тока во вторичной обмотке уже не будет равна 0. Появившийся ток создает в сердечнике свой переменный магнитный поток, который по правилу Ленца должен уменьшить изменения магнитного потока в сердечнике. Но уменьшение амплитуды потока должно уменьшить ЭДС. Однако это невозможно, так как модули U1=e1. Поэтому при замыкании цепи вторичной обмотки автоматически увеличивается сила тока в первичной. Увеличение силы тока в первичной цепи (по закону сохранения энергии) увеличит силу тока во вторичной.

 Трансформаторы находят широкое применение в промышленности и быту. Силовые электрические трансформаторы дают возможность передавать переменный током линиям электропередачи на большие расстояния с малыми потерями энергии. Для этого напряжение переменного тока, вырабатываемого генераторами электростанции, с помощью трансформаторов повышают до нескольких сотен тысяч вольт и посылают по ЛЭП. В месте потребления напряжение понижают трансформаторами.

Билет 9

1.   1.   Температура и ее физический смысл. Измерение температуры. Измерьте температуру в классе.

2.   2.   Термоэлектронная эмиссия, ее использование в электровакуумных приборах. Электронно – лучевая трубка.

3.   3.   «ИЗМЕРЕНИЕ ПЛОТНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА»

Термометр – это тело. Которое находится в тепловом равновесии с телом, температуру которого измеряют. Физический параметр, одинаковый во всех частях системы тел, находящихся в состоянии теплового равновесия, называют температурой тела. В повседневной практике широко распространен способ измерения температуры с помощью жидкого термометра. В его устройстве используется свойство расширения жидкости при нагревании. В качестве рабочего тела обычно применяют ртуть, спирт, глицерин. Чтобы измерить температуру тела, термометр приводят в контакт с этим телом; между термометром и телом будет осуществляться теплопередача до установления теплового равновесия. Масса термометра должна быть много меньше массы тела, так как в противном случае процесс измерения может существенно изменить температуру тела.

2.   2.   Термоэлектронная эмиссия, ее использование в электровакуумных приборах. Электронно – лучевая трубка.

Явление выхода электронов из металла при его нагревании называется термоэлектронной эмиссией. Это явление используется в различных электронных приборах. Простейший – электровакуумный диод. Этот прибор состоит из стеклянного болона, в котором находятся два электрода: катод и анод. Анод изготовлен из металлической пластины, катод – из тонкой металлической проволоки, свернутой в спираль. Концы спирали укреплены на металлических стержнях, имеющих два вывода для подключения в электрическую цепь. Соединив выводы катода с источником тока, можно вызвать нагревание проволочной спирали катода проходящим током до высокой температуры. Проволочную спираль нагреваемую электрическим током, называют нитью накала лампы.

Если в аноде электронной лампы сделать отверстие, то часть электронов, ускоренных электрическим полем, пролетит в это отверстие, образуя за анодом электронный пучок. Электронный пучок, попадая на тело, вызывает их нагревание. При торможении быстрых электронов, разогнанных до больших скоростей электрическим полем и попадающих на вещество. Возникает рентгеновское излучение. Некоторые вещества, бомбардируемые электронами светятся (люминофоры). Электронные пучки откланяются электрическими и магнитными полями. Электронно – лучевая трубка – это вакуумный электронный прибор, позволяющий преобразовывать электрические сигналы в видимое изображение. В длинном баллоне трубки создан высокий вакуум. Внутри баллона имеется система электродов. Позволяющая получать очень тонки и очень длинный пучок электронов. Эту совокупность электродов называют электронной пушкой (прожектором). Она состоит из подогреваемого катода, управляющего электрода, первого и второго анодов. Катод представляет собой узкий цилиндр, внутри которого находится нагреватель. Снаружи катод покрыт специальным веществом с малой работой выхода электронов. Управляющий электродом предназначен для регулировки интенсивности электронного пучка. Он имеет цилиндрическую форму и окружает катод. Через отверстие в основании этого цилиндра пролетают электроны. Испускаемые катодом. На управляющий электрод попадает небольшой отрицательный потенциал. Изменяя потенциал управляющего электрода и, следовательно, изменяя яркость пятна на экране. Также имеются вертикальные и горизонтальные отклоняющие пластины.