Электричество и оптика и их роль в науке реферат

Обновлено: 16.05.2024

Первые шаги в практическом применении учения
об электрических явлениях

Хотя учение об электрических явлениях начало играть существенную роль в практической жизни лишь начиная с середины XIX в., тем не менее первые попытки практического применения злектричества относятся уже к середине XVIII в.

После изобретения лейденской банки, когда ученые смогли наблюдать сравнительно большие искры при электрическом разряде, возникла мысль об электрической природе молнии.

Известный американский ученый и общественный деятель Бенджамин Франклин (1706 - 1790) высказал эту идею в письме в Лондонское королевское общество в 1750 г.

В этом письме он объяснял также, как можно проверить высказанное предположение. Он предлагал поставить на башню будку, на крышу которой вывести железный шест. Помещенный внутри будки человек в случае грозы мог бы извлекать из шеста электрические искры.

Содержание письма Франклина стало известно во Франции. О нем узнал француз Далибар, который в мае 1752 г. проделал опыт, о котором писал Франклин.

У себя в саду, возле Парижа, Далибар установил высокий железный шест, изолировав его от земли. В то время когда собиралась гро:за, он попробовал извлечь электрические искры из шеста. Опыт удался. Действительно, Далибару удалось получить электрические искры.

В том же году, летом, Франклин в Америке проделал похожий опыт. Вместе со своим сыном он запустил змей во время грозы. Когда нить, которой был привязан змей, намокла, то из нее можно было извлекать электрические искры. Франклину даже удалось зарядить при этом лейденскую банку.

После того как об опытах Франклина стало известно в Петербурге, подобными же опытами занялись русские академики Рихман и Ломоносов. Они устроили более удобную установку для изучения атмосферного электричества, названную громовой машиной.

Громовая машина представляла собой заостренный железный шест, установленный на крыше дома. От железного шеста в дом шла проволока. Конец этой проволоки был соединен с электрцческим указателем, т.е. с простейшим электрометром, изобретенным Рихманом.

С громовой машиной и Рихман и Ломоносов проделали много опытов. Ломоносов открыл, что электрические заряды в атмосфере появляются не только во время грозы, но и без нее. На основе своих опытов Ломоносов создал первую научную теорию образования электричества в атмосфере.

Летом 1753 г. случилось несчастье. Собиралась гроза, и Рихман пришел к своей громовой машине, чтобы наблюдать электри ческие разряды. Вдруг в комнате появилась шаровая молния произошел электрический разряд - и ученый был убит.

Впечатлением от трагической смерти Рихмана немедленно воспользовалось духовенство в целях борьбы с безбожием. Попы и монахи стали распространять мысль о том, что Рихман был наказан богом за дерзкие опыты.

После того как была выяснена электрическая природа грозы возникла идея устройства громоотвода для предохранения зданий от пожаров в результате попадания в них молнии.

Громоотводы быстро вошли в практику. Это было первое практическое применение учения об электрических явлениях. Оно способствовало развитию научных исследований по электричеству вообще.

Следует отметить, что духовенство и позже враждебно относилось к исследованиям атмосферного электричества и к использованию громоотводов, полагая, что защита от ударов молний - безбожное занятие.

Второй попыткой использования электричества для практических целей было применение его для лечения болезней.

Как мы видели выше, уже Мушенбрук, описывая изобретение лейденской банки, обратил внимание на сильное и необычное действие электрического разряда на человека.

Вскоре этим действием заинтересовались врачи. Возникла мысль о том, что в живом организме существуют электрические токи, которые играют в нем какую-то важную роль. Вместе с этим пришло убеждение о возможности применения электричества для лечения болезней.

История применения электрических явлений в медицине очень интересна тем, что она показывает, как новые открытия в области физических наук бывают вызваны задачами других наук (в данном случае медицины).

Первые теории электричества

Вместе с ускорившимся развитием опытного исследования электрических явлений возникают и теории этих явлений.

Конечно, еще до середины XVIII в. существовали некоторые соображения о природе электричества. Но они были весьма примитивными. В большинстве случаев электрические действия объяснялись наличием вокруг заряженных тел неких электрических атмосфер.

В середине XVIII в. появляются уже более содержательные теории электрических явлений. Эти теории можно разделить на две основные группы.

Первая группа - это теории злектрических явлений, основанные на принципе дальнодействия.

Вторая группа - это теории, в основу которых положен принцип бнизкодействия.

Остановимся сначала на развитии теории дальнодействия, которая получила в XVIII в. почти всеобщее признание. Основоположниками теории дальнодействия были Франклин и петербургский академик Эпинус.

Франклин еще в 40-х г. XVIII в. построил теорию электрических явлений. Он предположил, что существует особая электрическая материя, представляющая собой некую тонкую, невидимую жидкость. Частицы этой материи обладают свойством отталкиваться друг от друга и притягиваться к частицам обычной материи, т. е. к частицам вещества, по современным понятиям.

Подлинная революция в микроскопии произошла в 20-х годах нашего века, когда возникла идея использовать в ней потоки частиц - электронов. На основе этой идеи возникла и быстро развилась новая область науки ? электронная микроскопия, позволившая осуществить наиболее глубокий прорыв в области видения и изучения сверхмалых объектов.

Мы привыкли к тому, что видение объекта, формирование его изображения связаны с поступлением в прибор (а в конечном счёте в глаз) световых волн от этого предмета, того, что мы называем излучением. Как же можно получить изображение объекта, причём даже с гораздо более высокой разрешающей способностью, используя не световое излучение, а поток электронов? Другими словами, как возможно видение предметов на основе использования не волн, а частиц?
[sms]Забегая несколько вперед, скажем, что электроны проявляют волновые свойства отнюдь не в меньшей мере, чем "настоящие", привычные волны, например, радио или световые. Но об этом ниже. Вместе с тем электроны ведут себя как настоящие частицы, обладающие массой, траекторией движения, энергией и другими свойствами, присущими различным предметам. Так в первую очередь ведут себя электроны во многих приборах и устройствах, широко применяющихся не только в науке и технике, но и в быту ѕ в электронных лампах, кинескопах и других электронных приборах радиоприёмников и телевизоров.

Современная физика весьма подробно знает "анкетные данные" электрона. Это отрицательно заряженная частица (e=4,8e-10 CGSE) с массой 9,1e-28 г, но физики тщательно обходят вопросы, которые иногда хочется задать чрезмерно любопытным, например о форме электрона, а о его размерах обычно говорят с оговорками. Звучит эта оговорка примерно так: "классический радиус электрона составляет ~ 10 -13 см, а в рамках релятивистской теории это вообще точечная частица". Если не касаться определённой группы ситуаций, в которых электроны ведут себя не по правилам "здравого смысла" (об этом ниже), то это частицы, поведение которых можно описать и весьма точно рассчитать по законам механики и теории электромагнетизма, как и любого другого объекта. Правда, в этих случаях, т. е. тогда, когда ещё не проявляются закономерности так называемой квантовой механики, приходится учитывать проявление эффектов теории относительности (релятивистских эффектов) и в первую очередь возрастание массы электрона с ростом скорости его движения.

Во многих практических применениях электронных потоков, например в вакуумных приборах, электроны ведут себя как вполне "нормальные" частицы. Под действием известной силы, например, создаваемой электрическим полем между электродами, электрон приобретает ускорение, пропорциональное силе и обратно пропорциональное его массе. Движущиеся потоки электронов эквивалентны электрическим токам, поэтому могут эффективно взаимодействовать с внешними магнитными полями. Таким образом, электрические и магнитные поля могут существенно влиять на траектории и скорости электронных потоков, и с помощью таких полей можно управлять движением электронов. Наука, занимающаяся нахождением траекторий движения электронов в электрических и магнитных полях, а также расчётом элементов и устройств, способных формировать нужные поля, называется электронной оптикой (обратите внимание ѕ электронной оптикой ).

Наконец, укажем, что, как правило, в наших приборах для их нормальной работы необходим электронный поток, содержащий внушительное число частиц (например, электронному току в 1A соответствует поток электронов в 10 19 частиц в секунду!).

Итак, положение с электронами выглядит своеобразно:

есть объект, которым мы умеем управлять и свойства которого научились использовать;
мы достаточно хорошо знаем свойства этого объекта и научились проводить измерение даже точнее, чем для многих других объектов, с которыми встречаемся в повседневной жизни и которые можем видеть невооружённым глазом;
никто никогда не видел электронов, но все знакомы с результатами его действий;
с точки зрения "здравого смысла" и на основе сопоставления результатов очень хорошо поставленных экспериментов электрон является далеко не тривиальным объектом: плотность электронного вещества фантастически велика, он является сверх прочным объектом, способным "противостоять" действию сверхбольших инерциальных и электрических (кулоновских) сил.
Электроны ѕ волны

Нечего удивляться, что столь "странная личность", какой является электрон, ведёт себя уже совсем необычно в ряде ситуаций. Эти ситуации проявляются, во-первых, тогда, когда электронов много или вернее, когда их много в единице объёма и, во-вторых, когда электроны взаимодействуют с атомами и молекулами вещества. Эти и ряд других ситуаций характерны для явлений, рассматриваемых квантовой механикой. Из этой удивительной области мы упомянем только то, что в ряде ситуаций электрон ведёт себя как волна. Что это значит?

Мы знаем, что, например, световые волны при взаимодействии с пространственной периодической структурой претерпевают дифракцию. Точно так же при соблюдении определённых условий волны могут интерферировать. Аналогичные свойства наблюдаются у электронов. Так, например, в определённых условиях электронный поток, взаимодействующий с периодической пространственной структурой кристалла, образует дифракционную картину, которую можно зафиксировать на фотопластинке. Известно большое число фактов, когда электроны проявляют волновые свойства. Более того, советские учёные В. Фабрикант, Л. Биберман и Н. Сушкин продемонстрировали волновые свойства отдельных электронов!

Итак, анкетные данные электрона выглядят странно и необычно.

Не вдаваясь в тонкости вопроса о волновых свойствах электронов (как и других микрочастиц!), скажем, что электрону, движущемуся со скоростью v(см/сек), соответствует длина волны l =h/(m* v), где m ѕ масса электрона, а h= 6,6e-27 эрг* сек ѕ знаменитая константа Планка.

Так как v=(2* e/m* U), то l =(12,25/U 0,5)A° ; здесь U выражено в киловольтах.

Так, например, при U=100 кв. l =0,037 A° . Таким образом, если использовать электроны в микроскопии, то дифракционный предел, обусловленный волновыми свойствами электронов, лежит значительно дальше, чем в оптической микроскопии. А так как электронами можно управлять с помощью электрических и магнитных полей, то электронная оптика позволяет нам заранее рассчитывать такие системы формирования этих полей, которые способны фокусировать потоки электронов, управлять электронными лучами и совершать другие необходимые действия.

В нашем распоряжении также имеются люминесцентные экраны, которые светятся при попадании на их поверхность электронов (вспомним работу кинескопа в телевизоре!); при попадании электронов на фотопластинку происходит фотолитическое почернение. Существуют и другие способы регистрации электронов. Напомним, что электроны способны, кроме того, проникать сквозь тонкие слои материалов, отражаться и рассеиваться материалами. Эти свойства электронов и их взаимодействия с полями и исследуемым веществом лежат в основе электронной микроскопии. Рассмотрим схемы и особенности устройства электронных микроскопов. [/sms]

Одним из древних и объемных разделов физики является оптика. Ее достижения применяются во многих науках и сферах деятельности: электротехнике, промышленности, медицине и других. Из статьи можно узнать, что изучает эта наука, историю развития представлений о ней, важнейшие достижения, и какие существуют оптические системы и приборы.

Что изучает оптика

Название этой дисциплины имеет греческое происхождение и переводится, как "наука о зрительных восприятиях". Оптика - раздел физики, изучающий природу света, его свойства, законы, связанные с его распространением. Эта наука исследует природу видимого света, инфракрасного и ультрафиолетового излучения. Поскольку именно благодаря свету люди способны видеть окружающий мир, этот раздел физики также является дисциплиной, связанной со зрительным восприятием излучения. И неудивительно: глаз - это сложная оптическая система.

История становления науки

Оптика зародилась еще в античные времена, когда люди пытались понять природу света и выяснить, каким образом удается видеть предметы окружающего мира.

Древние философы считали видимый свет или лучами, выходящими из глаз человека, или потоком мельчайших частиц, разлетающихся от объектов и попадающих в глаз.

В дальнейшем природу света изучали многие видные ученые. Исаак Ньютон сформулировал теорию о корпускулах - крошечных частичках света. Другой ученый, Гюйгенс, выдвинул волновую теорию.

Природу света продолжали исследовать физики 20 века: Максвелл, Планк, Эйнштейн.

В настоящее время гипотезы Ньютона и Гюйгенса объединены в понятии корпускулярно-волнового дуализма, согласно которому, свет имеет свойства и частицы, и волны.

Разделы

Предмет исследований оптики - это не только свет и его природа, но также приборы для этих исследований, законы и свойства этого явления и многое другое. Поэтому в науке выделяются несколько разделов, посвященных отдельным сторонам исследований.

геометрическая оптика;
волновая;
квантовая.

Ниже будет подробно рассмотрен каждый раздел.

Геометрическая оптика

В данном разделе существуют следующие законы оптики:

Закон о прямолинейности распространения света, проходящего через однородную среду. Световой луч рассматривается, как прямая линия, вдоль которой проходят световые частицы.

Падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

Падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред.

Средством изучения свойств света в геометрической оптике являются линзы.

Линза - это прозрачное тело, которое способно пропускать и видоизменять световые лучи. Они делятся на выпуклые и вогнутые, а также на собирающие и рассеивающие. Линза является основной составляющей всех оптических приборов. Когда толщина ее мала по сравнению с радиусами поверхностей, она называется тонкой. В оптике формула тонкой линзы выглядит так:

d - расстояние от предмета до линзы; f - расстояние до изображения от линзы; D - оптическая сила линзы (измеряется в диоптриях).

Волновая оптика и ее понятия

Поскольку известно, что свет имеет все свойства электромагнитной волны, отдельный раздел физики изучает проявления этих свойств. Он называется волновая оптика.

Основные понятия данного раздела оптики - это дисперсия, интерференция, дифракция и поляризация.

Явление дисперсии было обнаружено Ньютоном, благодаря его опытам с призмами. Это открытие является важным шагом к пониманию природы света. Он обнаружил, что преломление световых лучей зависит от их цвета. Это явление было названо дисперсией или рассеянием света. Сейчас уже известно, что цвет зависит от длины волны. Кроме того, именно Ньютон предложил понятие спектра для обозначения радужной полоски, получаемой при дисперсии посредством призм.

Подтверждением волновой природы света является интерференция его волн, открытая Юнгом. Так называют наложение друг на друга двух или нескольких волн. В результате можно видеть явление усиления и ослабления колебаний света в различных точках пространства. Красивыми и знакомыми каждому проявлениями интерференции являются мыльные пузыри и радужная разноцветная пленка разлитого бензина.

Любому волновому процессу свойственно явление дифракции. Этот термин переводится с латинского, как "разломанный". Дифракция в оптике - это огибание волнами света краев препятствий. Например, если на пути светового пучка расположить шарик, то на экране за ним появятся чередующиеся кольца - светлые и темные. Это называется дифракционная картина. Исследованием явления занимались Юнг и Френель.

Последнее ключевое понятие волновой оптики - это поляризация. Свет называют поляризованным, если направление колебаний его волны является упорядоченным. Поскольку свет является продольной, а не поперечной волной, то и колебания происходят исключительно в поперечном направлении.

Квантовая оптика

Свет - это не только волна, но и поток частиц. На основе этой его составляющей возникла такая отрасль науки, как квантовая оптика. Ее появление связывают с именем Макса Планка.

Квантом называют любую порцию чего-либо. А в данном случае говорят о квантах излучения, то есть порциях света, выбрасываемых при нем. Для обозначения частиц используют слово фотоны (от греческого φωτός - "свет"). Это понятие было предложено Альбертом Эйнштейном. В данном разделе оптики формула Эйнштейна E=mc 2 также применяется для изучения свойств света.

Главная задача этого раздела - изучение и характеристика взаимодействия света с веществом и исследования его распространения в нетипичных условиях.

Свойства света как потока частиц проявляются в таких условиях:

тепловое излучение;
фотоэффект;
фотохимические процессы;
вынужденное излучение и др.

В квантовой оптике существует понятие неклассического света. Дело в том, что квантовые характеристики светового излучения невозможно описать в рамках классической оптики. Неклассический свет, например, двухфотонный, сжатый, применяется в разных сферах: для калибровки фотоприемников, при точных измерениях и др. Еще одно применение - квантовая криптография - секретный способ передачи информации с помощью двоичных кодов, где вертикально направленному фотону присвоен 0, а горизонтально направленному - 1.

Значение оптики и оптических приборов

В каких сферах технологии оптики нашли главное применение?

Во-первых, без этой науки не было бы оптических приборов, известных каждому человеку: телескоп, микроскоп, фотоаппарат, проектор и другие. С помощью специально подобранных линз люди получили возможно исследовать микромир, вселенную, небесные объекты, а также запечатлевать и транслировать информацию в виде изображений.

Кроме того, благодаря оптике был сделан ряд важнейших открытий в области природы света, его свойств, открыты явления интерференции, поляризации и другие.

Наконец, широкое применение оптика получила в медицине, например, в изучении рентгеновского излучения, на основании которого был создан аппарат, спасший немало жизней. Благодаря этой науке также был изобретен лазер, широко применяющийся при хирургических вмешательствах.

Оптика и зрение

Глаз - это оптическая система. Благодаря свойствам света и возможностям органов зрения, можно видеть окружающий мир. К сожалению, мало кто может похвастаться идеальным зрением. С помощью этой дисциплины, стало возможно вернуть возможность людям лучше видеть с помощью очков и контактных линз. Поэтому медицинские учреждения, занимающиеся подбором средств коррекции зрения, также получили соответсвующее название - оптика.

Можно подвести итог. Итак, оптика - это наука о свойствах света, затрагивающая многие сферы жизни и имеющая широкое применение в науке и в быту.

Применение , а так же роль оптических систем в науке и технике очень велико. Не изучая оптические явления и не развивая оптические инструменты человечество не было бы на столь высоком уровне развития техники.

Почти все современные оптические приборы предназначены для непосредственного визуального наблюдения оптических явлений.

Законы построения изображения служат основой для построения разнообразных оптических приборов. Основной частью любого оптического прибора является некоторая оптическая система. В одних оптических приборах изображение получается на экране, другие приборы предназначены для работы с глазом . в последнем случае прибор и глаз представляют как бы единую оптическую систему и изображение получается на сетчатой оболочке глаза.

Изучая некоторые химические свойства веществ, ученые изобрели способ закрепления изображения на твердых поверхностях, а для проецирования изображений на эту поверхность стали использовать оптические системы, состоящие из линз. Таким образом, мир получил фото- и киноаппараты, а с последующим развитием электроники появились видео- и цифровые камеры.

Для исследования малых объектов , практически незаметных глазу используют лупу, а если её увеличения не достаточно , тогда применяют микроскопы. Современные оптические микроскопы позволяют увеличивать изображение до 1000 раз, а электронные микроскопы в десятки тысяч раз. Это даёт возможность исследовать объекты на молекулярном уровне.

Преимуществом трубы Кеплера является то , что в ней имеется дополнительное промежуточное изображение , в плоскость которого можно поместить измерительную шкалу, фотопластинку для производства снимков и т.п. Вследствие этого в астрономии и во всех случаях, связанных с измерениями, применяется труба Кеплера.

Наряду с телескопами, построенными по типу зрительной трубы - рефракторами, весьма важное значение в астрономии имеют зеркальные ( отражательные ) телескопы, или рефлекторы.

Возможности наблюдения , которые даёт каждыё телескоп, определяются диаметром его отверстия. Поэтому с давних времен научно техническая мысль направлена на отыскание

способов изготовления больших зеркал и объективов.

С постройкой каждого нового телескопа расширяется радиус наблюдаемой нами Вселенной.

Зрительное восприятие внешнего пространства является сложным действием , в котором существенным обстоятельством является то, что в нормальных условиях мы пользуемся двумя глазами. Благодаря большой подвижности глаз мы быстро фиксируем одну точку предмета за другой; при этом мы можем оценивать расстояние до рассматриваемых предметов, а также сравнивать эти расстояния между собой. Такая оценка даёт представление о глубине пространства, об объемном распределении деталей предмета, делает возможным стереоскопическое зрение.

Стереоскопические снимки 1 и 2 рассматриваются с помощью линз L1 и L2 , помещенных каждая перед одним глазом. Снимки располагаются в фокальных плоскостях линз, и следовательно, их изображения лежат в бесконечности. Оба глаза аккомодированы на бесконечность. Изображения обоих снимков воспринимаются как один рельефный предмет, лежащий в плоскости S.

Стереоскоп в настоящее время широко применяется для изучения снимков местности. Производя фотографирование местности с двух точек, получают два снимка , рассматривая которые в стереоскоп можно ясно видеть рельеф местности. Большая острота стереоскопического зрения даёт возможность применять стереоскоп для обнаружения подделок документов, денег и т.п.

В военных оптических приборах , предназначенных для наблюдений (бинокли, стереотрубы ), расстояния между центрами объективов всегда значительно больше, чем расстояние между глазами, и удаленные предметы кажутся значительно более рельефными , чем при наблюдении без прибора.

Изучение свойств света, идущего в телах с большим показателем преломления привело к открытию полного внутреннего отражения. Это свойство широко применяется при изготовлении и использовании оптоволокна. Оптическое волокно позволяет проводить любое оптическое излучение без потерь. Использование оптоволокна в системах связи позволило получить высокоскоростные каналы для получения и отправки информации.

Полное внутреннее отражение позволяет использовать призмы вместо зеркал. На этом принципе построены призматические бинокли и перископы.

Использование лазеров и систем фокусоровки позволяет фокусировать лазерное излучение в одной точке, что применяется в резке различных веществ, в устройствах для чтения и записи компакт-дисков, в лазерных дальномерах.

Оптические системы широко распространены в геодезии для измерения углов и превышений (нивелиры, теодолиты, секстанты и др.).

Использование призм для разложения белого света на спектры привело к созданию спектрографов и спектроскопов. Они позволяют наблюдать спектры поглощений и испусканий твердых тел и газов. Спектральный анализ позволяет узнать химический состав вещества.

Использование простейших оптических систем – тонких линз, позволило многим людям с дефектами зрительной системы нормально видеть (очки, глазные линзы и т.д.).

Благодаря оптическим системам было произведено много научных открытий и достиженй.

Оптические системы используются во всех сферах научной деятельности, от биологии до физики. Поэтому, можно сказать , что сфера применения оптических систем в науке и технике – безгранична. [ 4,6 ]

Практическое значение оптики и её влияние на другие отрасли знания исключительно велики. Изобретение телескопа и спектроскопа открыло перед человеком удивительнейший и богатейший мир явлений , происходящих в необъятной Вселенной. Изобретение микроскопа произвело революцию в биологии. Фотография помогла и продолжает помогать чуть ли не всем отраслям науки. Одним из важнейших элементов научной аппаратуры является линза. Без неё не было бы микроскопа, телескопа, спектроскопа, фотоаппарата, кино , телевидения и т.п. не было бы очков, и многие люди, которым перевалило за 50 лет, были бы лишены возможности читать и выполнять многие работы , связанные со зрением.

Область явлений, изучаемая физической оптикой, весьма обширна. Оптические явления теснейшим образом связаны с явлениями, изучаемыми в других разделах физики, а оптические методы исследования относятся к наиболее тонким и точным. Поэтому неудивительно , что оптике на протяжении длительного времени принадлежала ведущая роль в очень многих фундаментальных исследованиях и развитии основных физических воззрений. Достаточно сказать, что обе основные физические теории прошлого столетия - теория относительности и теория квантов - зародились и в значительной степени развились на почве оптических исследований. Изобретение лазеров открыло новые широчайшие возможности не только в оптике, но и в её приложениях в различных отраслях науки и техники.

На экране с помощью тонкой линзы, фокусное расстояние которой равно 36,5 см, получено изображение предмета с десятикратным увеличением. Необходимо найти расстояние от линзы до изображения.

Дано: – увеличение; – фокусное расстояние линзы

Найти: – расстояние от линзы до изображения

Формула тонкой линзы:

где d – расстояние от линзы до предмета.

Увеличение линзы определяется по формуле:

Выразим из этой формулы расстояние от линзы до предмета и подставим полученное значение в формулу тонкой линзы:

Отсюда расстояние от линзы до изображения равно:

Подставим в данное выражение известные значения:

Сколько раз длина волны света укладывается в пленке, толщина которой составляет ? Показатель преломления пленки – 1,8; длина волны в вакууме – 720 нм. Волна падает на пленку перпендикулярно ее плоскости.

Дано: – длина волны в вакууме; – показатель преломления пленки; – толщина пленки

Найти: – число длин волн

На толщине пленки d укладывается число длин волн:

где – длина волны в пленке.

Как известно, длина волны в веществе (пленке) равна:

где n – показатель преломления вещества, – длина волны в вакууме.

В старину электрические явления в виде молнии и грома вызывали у людей жуткий страх. Позднее мы научились использовать электричество для своих нужд. А магнетизм, некогда не более чем диковинное явление, сегодня играет одну из важнейших ролей в гигантских генераторах, обеспечивающих нас энергией.

Некоторые ткани сильно электризуются, когда пошитую из них одежду снимают через голову.

Иногда заряд бывает настолько мощный, что можно слышать треск электрических искр, а в темном помещении - даже видеть их. Эти искры представляют собой молнию в миниатюре и, подобно последней, возникают в результате резкого электрического разряда. Во время грозы наэлектризованное облако разряжаемся, при этом выделяемся огромное количество энергии в виде света и тепла. Свет воспринимается нами как вспышка молнии,тепловой поток вызывает внезапное, взрыцвоподобное расширение воздуха - и мы слышим раскаты грома.

Все окружающие нас объекты содержат миллионы электрических зарядов, состоящих из частиц, находящихся внутри атомов - основы всей материи. Центральная часть или ядро большинства атомов включает два вида частиц: нейтроны и протоны. Нейтроны не имеют электрического заряда, в то время как протоны несут в себе положительный заряд. Вокруг ядра вращаются еще одни частицы - электроны, имеющие отрицательный заряд.

Как правило каждый атом имеет одинаковое количество протонов и электронов, чьи равные по величине, но противоположные заряды уравновешивают друг друга.

В результате мы не ощущаем никакого заряда, а вещество считается незаряженным. Однако, если мы каким-либо образом нарушим это равновесие, то данный объект будет обладать общим положительным или отрицательным зарядом в зависимости от того, каких частиц в нем останется больше - протонов или электронов.

Электричество и трение

Различные материалы иногда электризуются при трении друг о друга, поскольку при этом происходит переход электронов из одного материала в другой. Например, если вы пользуетесь пластмассовой расческой, электроны волос переходят на нее. В результате расческа оказывается отрицательно заряженной, а волосы имеют положительный заряд, так как теперь в них больше протонов, чем электронов. Заряженные объекты притягивают незаряженные, и поэтому к расческе пристают небольшие кусочки бумаги.

Притяжение и отталкивание

Заряженные объекты либо притягивают, либо отталкивают друг друга. Если они имеют противоположные заряды, то между ними действует сила протяжения. Но если у них одноименные заряды, то тогда имеет место сила отталкивания.

Считается, что объект, наэлектризованный за счет трения, обладает статическим электричеством, поскольку заряд может оставаться внутри него почти бесконечно. Такой объект останется заряженным до тех пор, пока в нем не будет восстановлен баланс положительных и отрицательных частиц. Это достигается путем предоставления возможности "перетекания" заряженных частиц из данного объекта или в него.

Например, объект, получивший отрицательный заряд ввиду передачи ему дополнительного количества электронов, можно разрядить, если позволить лишним электронам вновь покинуть его. А положительно заряженный объект в результате потери некоторого количества электронов можно разрядить, дав возможность недостающим электронам вернуться назад. Любое подобное движение заряженных частиц называется электрическим током.

Вещества, позволяющие току проходить через них, называются проводниками. Металлы и графит, а также обычная разновидность углерода являются хорошими проводниками электричества. К материалам, которые обычно не проводят электричество, относятся янтарь, нефть, воск, стекло, бумага и пластмасса. Такие материалы называются диэлектриками.

Предположим, к примеру, что металлическому шару был дан положительный заряд, а другому подобному шару - равный по величине отрицательный заряд. Если между ними есть путь тока, то электроны будут перетекать с отрицательно заряженного шара на положительно заряженный до тех пор, пока у обоих шаров не окажется одинаковое число отрицательных и положительных зарядов. Этого можно добиться, соединив шары проводником, например, куском проволоки.

В XVIII веке многие ученые проводили опыты с электричеством, используя машины, обеспечивающие трение одного материала о другой для получения мощного электрического заряда. Однако такой заряд быстро исчезал в результате внезапного выброса тока при подсоединении проводника к оборудованию. Гораздо более пригодным для многих опытов был бы источник, способный производить достаточно стабильный ток в течение более длительного периода времени. В 1790-е годы итальянский ученый Алессандро Вольта нашел нужное решение - он изобрел гальванический элемент и батарею.

Элементы и цепи

Гальванический элемент преобразует химическую энергию в электричество. Эти элементы часто соединяют друг с другом или группируют для получения более мощного источника электроэнергии в точках подключения, или полюсах. Такие соединения называются батареи. Однако единичные элементы также часто именуют батареями. Цепь состоит из источника электричества (такого как батарея) и пути тока, но которому ток может протекать от одного полюса источника к другому. Электроток представляет собой поток электронов; его можно сравнить с потоком воды, текущей по трубе. Чтобы заставить воду течь по трубе, необходимо приложить давление, то же самое нужно сделать с электронами, чтобы заставить их протекать по проводу. Такое электрическое давление, или напряжение, создаваемое, например, батареей, измеряется в вольтах, а образуемый при этом ток - в амперах. Поток воды, получаемый при определенном давлении, зависит от вида используемой трубы. Например, длинная и узкая труба будет оказывать сопротивление потоку воды внутри нее. А длинный и тонкий провод будет оказывать большее сопротивление электротоку, чем короткий и толстый провод из того же материала.

Единицей измерения электрического сопротивления является ом. Поскольку медь имеет относительно низкое сопротивление и, следовательно, является хорошим проводником электричества, она широко применяется в кабелях. Еще лучшим проводником является серебро, но оно слишком дорогостояще для широкого применения. В некоторых цепях используются элементы, которые намеренно изготовлены с высоким сопротивлением. Такие устройства - резисторы - часто используются для ограничения протекания тока на отдельных участках электронных схем.

В 1827 г. немецкий ученый Георг Ом сформулировал закон, установивший связь между напряжением (V), током (I) и сопротивлением (R).

Закон Ома можно выразить в разной форме: V=IR, I=V/R или R = V/I, где V измеряется в вольтах, I - в амперах, а R - в Омах. Если, например, подсоединить 12-вольтную батарейку к 6-омному резистору то величина протекающего через него тока будет равна I = V/R = 12/6 = 2 ампера.

Считается, что греческий философ Фалес Милетский первым изучал странное притяжение магнитным железняком обычного железа. Это происходило около 600 года до н.э., и прошли века, прежде чем магнетизм нашел практическое применение в виде магнитного компаса. Вероятно, в Китае приблизительно к 200 году н.э. уже имелся несовершенный образец магнитного компаса, однако в Европе oн появился не ранее 1200 г.

На протяжении многих столетий никто не мог разгадать тайну, почему кусок природного магнитного железняка (если он мог свободно перемещаться) всегда указывал в одном и том же направлении. Сегодня нам известно, что железо и другие магнитные материалы состоят из крошечных намагниченных частиц, называемых доменами. Обычно они располагаются в различных направлениях, а металл не проявляет в целом никаких магнитных свойств. Если же, однако, домены выстраиваются таким образом, что все они направлены в одну сторону, то тогда металл намагничивается и притягивает другие куски железа.

Все магниты такого рода имеют одну общую черту: их намагниченность сконцентрирована на двух участках, которые называются северный и южный полюсы магнита. Они получили такое название в связи с тем, что, когда магнит может свободно вращаться (в подвешенном или плавучем состоянии), эти части магнита поворачиваются в направлении Северного и Южного полюсов Земли, которая сама по себе является гигантским магнитом. В этом заключается принцип действия магнитного компаса. Оба полюса магнита притягивают ненамагниченное железо. Но если приблизить два магнита, северный полюс одного из них будет притягивать южный полюс другого. Другими словами, разноименные полюса притягиваются. И наоборот - два северных полюса будут отталкивать друг друга так же, как и два южных. Поэтому говорят, что одноименные полюса взаимно отталкиваются. В таком случае, однако, может показаться странным, что северный полюс магнита склонен поворачиваться в сторону Северного полюса Земли.

Это происходит потому что магнитный север (магнитный полюс вблизи области, которую мы называем Северным полюсом) фактически является южным магнитным полюсом.

Между электричеством и магнетизмом существует тесная связь, но об этом стало известно лишь в 1819 году, когда датский профессор физики Ханс Эрстед продемонстрировал своим студентам некоторые свойства электричества.

Эрстед подсоединил провод к полюсам батареи, чтобы показать, что он нагревается при прохождении через него сильного электрического тока. Однако произошло нечто совершенно неожиданное. Когда он подсоединил провод к батарее, стрелка находившегося рядом компаса отклонилась и больше не указывала на север.

Эрстед понял, что проходящий через провод электроток создавал магнетизм, воздействующий на компас. Так он открыл одно из важнейших явлений в науке - электромагнетизм.

Ток, проходящий через провод, создает относительно слабый магнетизм. Но вскоре ученые нашли способ усиления этого явления. Более мощные магнитные свойства можно было получить, сделав проволочную обмотку в форме катушки, а также еще более увеличить магнитную силу, намотав катушку вокруг железного стержня. Такое устройство называется электромагнит.

Двигатели и генераторы

Если провод, находящийся вблизи постоянного магнита, подсоединить к батарее, он может переместиться под действием создаваемого магнетизма. В 1821 г., английский ученый Майкл Фарадей построил простую машину, в которой токонесущий провод двигался вокруг постоянного магнита.

Хотя эта машина была крайне неэффективна и не могла выполнять какую-либо полезную работу, она продемонстрировала принцип, применяемый в современных электродвигателях - электрический ток можно использовать для получения непрерывного движения. В современных электродвигателях используются мощные электромагниты вместо одного провода, и они намного эффективнее в производстве полезных и регулируемых объемов электроэнергии.

Эрстед показал, что электричество может создавать магнетизм, а Фарадей сообразил, что можно использовать магнетизм для получения электричества. Он впервые продемонстрировал это в 1831 г., когда получил электричество, переменит стержневой магнит внутри проволочной катушки. Он также показал, что результат остается неизменным независимо от того, двигался ли магнит или катушка. Этот важный принцип применяется в современных генераторах, от велосипедных динамо-машин до гигантских электрогенераторов, снабжающих электроэнергией наши дома, магазины, офисы и заводы.

Раздел: Наука и техника
Количество знаков с пробелами: 11348
Количество таблиц: 0
Количество изображений: 0

Читайте также: