§ 5. Сферические зеркала

ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ОПТИКА
§ 5. Сферические зеркала
Вы уже изучили плоские зеркала. На практике
встречаются зеркала, поверхности которых представляют собой части сферы. Такие зеркала называются сферическими.
ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Сферические зеркала, отражающая сторона которых
находится внутри, называются вогнутыми (рис. 1).
Сферические зеркала, отражающая сторона которых
находится снаружи, называются выпуклыми (рис. 2).
Главными элементами сферического зеркала являются:
– центр О, совпадающий с центром сферы;
– радиус R;
– диаметр КМ, соединяющий конечные точки зеркала;
– вершина V, которая является самой удаленной от диаметра KM
точкой на поверхности зеркала;
– главная оптическая ось зеркала – прямая, проходящая через точки
О и V.
M
M
R
R
V
O
V
O
K
K
Рис. 1
Рис. 2
Если на вогнутое зеркало падает световой пучок, лучи которого параллельны главной оптической оси, то отражаясь они пересекаются в точке F,
называемой главным фокусом зеркала (рис. 3).
Вогнутые зеркала являются собирающими, а их главный фокус – реальным.
В выпуклых зеркалах главный фокус является мнимым (рис. 4). Такие
зеркала относятся к рассеивающим.
Расстояние между главным фокусом F и вершиной зеркала V называется главным фокусным расстоянием.
O
A
Рис. 3
1
F
3
2
V
V
F
O
A1
Рис. 4
25
Гл а в а I I
§ 2. Солнечная система
Как вы знаете,Солнце, восемь планет*со спутниками, несколько малых
планетибольшоеколичествоастероидов,кометиметеоритов,пыльикосмический газ формируют Солнечную систему.Относительно Солнца большие
планетыпредстаютвследующемпорядке: ближевсехк СолнцуМеркурий,за
ним Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн,Уран, Нептун (рис.1). Все планеты
вращаются вокруг Солнца в одном и
том же направлении (противчасовой
с трелки, ес ли смотреть на Землю со
стороныСеверного полюса), двигаясь
по почти круговым орбитам, которые
находятсяводнойплоскости(рис.1).
Рис. 1
Солнце является центральным телом нашей
планетарной системы,будучи и самым большим в
ней. Его масса в 333 000 раз больше массы Земли
и в750 раз больше суммы масс всех планет. Масса
всехпланетсоставляет~0,1% отмассыСолнца.
Расстояние отЗемлидо Солнцаприблизительно150 м лн. к м. Оно считаетс я единицей изме рения, называемой астрономической единицей
Солнце
(1а.е.=150000000км).
Диаметр Солнца в109 раз больше,чем диаметрЗемли. Этозначит,что в
пространстве, занятом Солнцем, может вместиться1301000 таких планет
какЗемля.
Солнце излучает во все направления космического пространства
огромное количествоэнергии и лишь оченьнебольшая ее часть достигает поверхностиЗемли. Количество солнечнойэнергии, достигшейЗемли
в течение нескольких дней, эквивалентноэнергии всех угольных запасов
Земли.Как установилиученые, всолнечнойактивностиважнуюрольиграютсолнечные
пятна.Температураихна2000°Снижетемпературыостальной поверхности Солнца (~6 000 °С). Солнечное пятно в среднем имеет
размерыпланетыЗемля. Пятнаформируютсявблизиэкватора (ноникогда
на экваторе) наузкой полосе. Важное явление в солнечной активности составляетпериодичностьизмененияколичествапятен, котораявсреднем
равна11годам.Солнечная активность напрямую
влияет на жизньна Земле.Так, годы с максимальной
солнечнойактивностьюболеедождливы.
Планеты и их спутники
Меркурий
–этосамаяблизкаякСолнцупланета, поэтому ее трудно наблюдать. Обращенная к
Солнцу поверхность планеты достигает t = 380°С
*Планета(лат.) – блуждающая.
44
Меркурий
ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПОСРЕДСТВОМ ПОЛЕЙ
ся голова и хвост (рис. 2), направленный от Солнца. Если ядро
кометы имеетдесятки километров в диаметре, голова ее можетдостигнуть размеров Солнца, а длина хвоста – от1млн. до
150млн.км–чтосравнимосрасстояниемотЗемлидоСолнца.
Существуют различные гипотезы относительно возникновения комет.Одна из них была выдвинута в1950 г. датским
астрономомЯном Ортом (1900-1992),которыйпридерживался идеи,что на краю Солнечной системы на расстоянии приРис. 2
мерно150 млн. а.е. существовало кометное облако, которое
содержало примерно100 млрд. ядер,сформировавшихсяодновременно
ссамойсистемой.Сегодняученымизвестноболее600комет.
Метеориты,также называемые «небеснымикамнями», являются частями небесных тел (метеоритных тел) массой от несколькихкилограммов додесятков тонн. Достигнув атмосферы
Землисоченьбольшойскоростью, этотело превращаетсявраскаленную сферу, излучающую свет и оставляющую след дыма. В
Метеорит
определенныймоментонавзрываетсяигаснетватмосфере.
Если метеоритное тело очень велико и скорость его при входе в земную атмосферу составляет несколько десятков км/с, оно достигает поверхностиЗемли,создаваякратер. Нотакое случаетсяоченьредко.Самый
большой кратер метеоритного происхождения находится в США в штате
Аризона.Егодиаметр1200м,аглубина200м.
ПОДГОТОВКА СООБЩЕНИЯ
Тема: Планета Земля и ее спутник – Луна
Планработы:
1.Установитесовместносучителемцель,надкоторойвыбудетеработатьвгруппе(3-4чел.).
2.Распределитеобъемработымежду участникамигруппы.
3.Отберитеизразличныхисточниковсоответствующуюинформацию.
4.Представьтеотобраннуюинформациювлогическойпоследовательности,четкоиясно,используяразличныеспособыподачи
информации:текст,схемы,таблицы,диаграммыит.п.
5.Обсудитесвоесообщениесколлегамипоклассу.
6.Оценитесвойтруд.
ВЫПОЛНИ УПРАЖНЕНИЯ!
1.Краткоохарактеризуйтенебесныетела,формирующиеСолнечную
систему.
2.ОценитеразмерыСолнечнойсистемывастрономическихединицах
(а.е.),используяприобретенныезнания.
3.ОценитемассуСолнца,используяприобретенныезнания.
4.Вычислитесилыпритяжения,действующиемеждуСолнцемиЗемлейиСолнцемиМарсом.Сравнитеихисформулируйтевыводы.
5.Подготовьтетаблицу,котораябудетсодержатьинформациюиз
текстаучебникаотносительно: массыпланет,расстояниядоСолнца,
расстояниядоЗемли(некоторых)ирадиусапланет.
47
Гл а в а I I
§ 5. Электростатическое поле
Вы знаете,что при приближении к заряженному телу другого заряженного тела, но меньших размеров (т.н. пробного тела), на него действует сила отталкивания или притяжения.Открытие французским физиком
Шарлем Кулоном в1785г. закона взаимодействияэлектрических зарядов
не разрешило важного вопроса: каким образом действие передается от
одногозарядак другому?
ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
Поворотными для научных представлений о действии
электрических зарядов стали исследования английского
ученогоМайкла Фарадея (1791-1867).Физикихимик–он
сформулировалосновныеидеиобэлектромагнетизме,развитыеполностьюДжеймсом Максвеллом (1831-1879).
СогласноМ.Фарадею,электрическиезарядыневзаимодействуют междусобой напрямую. Каждый электрический заряд
формируетвокругсебяэлектрическое поле,посредствомкоторогоонидействуетнадругойэлектрическийзаряд,инаоборот.
Майкл Фарадей
ОПРЕДЕЛЕНИЯ:
• Особая форма существования материи вокруг заряженных тел, посредством которой
осуществляются взаимодействия с другими телами, носителями электрических
зарядов, называется электрическим полем.
• Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим полем.
Следовательно, любое неподвижноезаряженное тело создает вокруг
себяэлектростатическое поле,через которое передаютсяэлектростатические взаимодействия.Свойства электростатического поля могут быть
изучены при помещении в него пробных заряженных тел и последующем
анализесил,действующихнаних.
МЫСЛЕННЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
Пустьтело, заряженное положительным электрическим зарядом величиной +Q находится в воздухе в неподвижной точке О (рис.1). Будем
считать,что в точкуА, расположенную на расстоянии r от т.О, помещается
пробное тело с точечным зарядом веr
+Q
FA
личиной +q.Согласно закону Кулона,
+q
сила, которая действует на точечный
O
A
заряд+qвточкеА,будетравна:
r
Q⋅q
Рис. 1
2
r
Если вычислим отношение силы F к заряду пробного тела +q,т.е. F/q,
мы убедимся,что оно зависит не от величины заряда пробного тела, а
только от величины заряда +Q, который создает это поле, и от положения
точкиАвполе(расстоянияr).
.F = k ⋅
56
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ. ЯДЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
§ 2. Скорость распространения электромагнитных волн. Световые волны
Теория электромагнитного поля,разработаннаяДжеймсом
Максвеллом, считается и сегодня одной из самыхсовершенных
научных работ. Для своего времениэто была блестящая теоретическая разработка. Но прошло более20 лет с момента ее появления в1865г, преждечем ее выводы были подтверждены экспериментально, иМаксвеллодержалнастоящий триумф средисовременников. Бесспорным доказательством еготеории послужило
получение с помощью электрической цепи электромагнитных
волн и определение скорости их распространениязнаменитым
Генрих Герц
немецкимфизикомГенрихом Герцем (1857–1894).
В своих исследованиях Дж. Максвелл получил формулу вычисления
скорости распространения электромагнитных волн и показал зависимость скорости от электрических и магнитных свойств среды.Он обнару жил что при распространении волн в вак у уме, их скорость с = 3 ·10 8
м/с,что совпадает с уже известной в то время скоростью света. Это стало одним из подтверждений волнового характера света и показало его
электромагнитную природу,что послужило основанием дляразработки
электромагнитнойтеориисвета.
Именно скорость распространения электромагнитных волн стала
основным критерием достоверностирезультатов, предсказанных теориейэлектромагнитногополя.
Из к урса физики VIII к ласса вы знаете,что механические волны распространяютсявсреде благодаряееупругим свойствам, которые определяются взаимодействием ее частиц. В отличие от них, электромагнитные
волны могут распространяться в вакууме.Скорость распространения
волн любого вида υ может быть вычислена, если известна длина волны λ и
частотаееколебанийν:
υ = λ ν.(1)
СДЕЛАЙ САМ ОТКРЫТИЕ!
•Предложипланопределенияскоростираспространениякруговых
волннаповерхностиозера.
В1885-1888 гг.ГенрихГерцизготовилпростоеустройство – вибратор, который, по сути, был излучателем волн (рис.1). В нем с помощью источника
высокого напряжения, который приводит частицы – носители тока в колебательное движение, можносоздатьэлектромагнитныеколебаниявысокойчастоты.Переменные
токи, появляющиеся в вибраторе, генерируют
переменные магнитные поля, которые в свою
очередьгенерируютпеременныеэлектрические
поля и т. д. таким образом, от вибратора в про 1 – источник высокого напряжения
странствораспространяетсясовокупностьэлек2 – вибратор (излучатель)
трическихимагнитныхполей,генерирующих друг
3 – приемник (резонатор)
другаисоздающихэлектромагнитныеволны.
Рис. 1
79
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ. ЯДЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
представляет собой электромагнитные волны очень малой длины и высокойчастоты.Они обладают большойпроникающей способностью, превосходядажерентгеновскиелучи.
Излучение ядер радиоактивных элементов является результатом их
распада и превращения в ядра других элементов, которые, как правило,
тоже являются радиоактивными. Причина процессов распада лежит в нестабильностиядеррадиоактивныхэлементов.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Самопроизвольное превращение ядер некоторых химических элементов в ядра
других элементов, сопровождающееся излучением, называется радиоактивностью или радиоактивным распадом.
Принадлежность полученного ядра определялась в зависимости от
типа излучения первичного ядра. В1901г. коллега Резерфорда Фредерик
Содди разработал правила, по которым определялся новый химический
элемент, полученныйврезультатеα- илиβ-распада.Ониназываютсяправиламисмещения, посколькуприиспусканиичастиц элементпериодической
системысмещалсялибонадваместавлеволибонаодноместовправо.
ЗАПОМНИ!
1) При α-распаде ядро теряет две единицы заряда и четыре единицы массы. Полученный в результате этого элемент занимает место, расположенное на две клетки влево от прежнего положения, т.е. смещается к началу периодической системы.
A
Z
X
α
A–4
Z–2
Y
+
4
2
He
(1),
где X – первичное ядро, а Y – полученное ядро.
2)При β-распаде атомный номер увеличивается на единицу, а массовое число не
меняется. В результате полученный элемент должен занять следующее справа
место в периодической системе элементов.
β
A 0
+
(2).
X
e
Z -1
A
Z+1
Y
СДЕЛАЙ САМ ОТКРЫТИЕ!
Частицами, составляющими атомное ядро, являются протоны и нейтроны.Какимобразомядроизлучаетэлектроны,еслинесодержитих?
Действительно, атомное ядро не содержит электроны. Но они появляются при превращении нуклонов, а именно нейтронов в протоны.Следовательно, при β-распаде число нейтронов уменьшается на единицу, а
числопротоновувеличиваетсянаединицу. Атомныйномер (Z)увеличиваетсянаодин, а массовоечисло (А) остаетсянеизменным, посколькуобщее
числонуклоновостаетсятемже.
97