Category Archives: Физика

Лабораторная работа № 1
ЭЛЕМЕНТЫ СТРУКТУРНОЙ КРИСТАЛЛОГРАФИИ
Цель работы: изучить вопросы структурной кристаллографии, необходимые при рассмотрении физических свойств кристаллов.
1. Методические указания по подготовке к работе
По внешней форме кристаллы представляют собой симметричные многогранники. Симметрия внешних форм кристаллов,
как и симметрия их физических свойств, является следствием
симметрии их внутреннего строения. Симметрией фигуры называют способность фигуры самосовмещаться в результате симметричных преобразований (вращений, отражений, перемещений).
Различают пространственную и точечную группы симметрий.
Пространственной симметрией обладают фигуры, самосовмещение которых происходит в результате параллельного переноса
(трансляции). Этот вид симметрии присущ кристаллическим телам. Точечной симметрией обладают фигуры, которые при самосовмещении сохраняют неподвижной хотя бы одну точку. для
описания точечной симметрии вводится понятие элементов симметрии.
Элементы симметрии    – вспомогательные геометрические
образы (точки, прямые, плоскости), с помощью которых обнаруживается симметрия фигуры.
Плоскость симметрии Р – плоскость, которая делит фигуру
на две части, расположенные относительно друг друга как предмет и его зеркальное отражение.
Ось симметрии Ln – прямая линия, при повороте вокруг которой фигура самосовмещается. Порядок оси симметрии п показывает число самосовмещений за один оборот.
Центр симметрии (центр инверсии) C – особая точка внутри
фигуры, характеризующаяся тем, что любая прямая, проведенная через центр симметрии, встречает одинаковые (подобные)
точки фигуры по обе стороны от центра на равных расстояниях.

В кристаллах невозможны оси L5, а также оси, порядок которых более 6. Это ограничение связано с наличием у кристаллов пространственной симметрии. Внешняя симметрия любых
кристаллов исчерпывающе описывается элементами симметрии
P, C, L2, L3, L4, L6. Полное сочетание элементов симметрии кристаллического многогранника называется классом симметрии
или точечной группой элементов симметрии. Все многообразие
симметрии кристаллов и их физических свойств описывается 32
классами симметрии. Существуют различные способы записи
классов симметрии: с помощью международных символов и с помощью формулы симметрии. Международная символика обозначения симметрии приведена в [1].
С помощью формулы симметрии записываются все элементы
симметрии данного класса: на первом месте принято писать оси
симметрии, затем плоскости симметрии и центр симметрии. Например, формула симметрии кристалла, имеющего форму куба,
3L44L36L29PC. Это означает, что такой кристалл имеет три оси
четвертого порядка, четыре оси третьего порядка, шесть осей
второго порядка,

ВВЕДЕНИЕ

Основным способом создания неразъемного соединения выводов навесных компонентов с контактными площадками печатных плат является пайка.
Исследования процессов пайки и паяных соединений проведены с
целью изучения механизма образования паяного соединения и условий
получения качественного соединения, обеспечения характеристик процесса пайки и управления параметрами операций.
Под пайкой понимают связывание или дополнение металлов в твердом
состоянии путем введения в зазор расплавленного связующего металлического материала (припоя). Если температура плавления припоя лежит ниже 450 °С, то говорят о мягкой пайке, если выше – о твердой пайке.
Все известные в настоящее время методы мягкой пайки при монтаже
компонентов на печатные платы (ПП) можно разделить по технологии
выполнения на индивидуальные и групповые.
К индивидуальным методам относятся: пайка ручным паяльником;
механизированная или автоматизированная пайка горячим стержнем
различного профиля и формы (конусообразным, расщепленным); пайка
горячим призматическим паяльником (или так называемым «групповым паяльником», одновременно прижимаемым к планарным выводам
микросхемы с одной или двух сторон); точечная электродуговая пайка;
пайка сопротивлением; пайка микропламенем; пайка световым лучом;
пайка электронным лучом; пайка лазерным лучом.
К групповым методам относятся различные виды пайки погружением, ее разновидность – пайка в ванне с подвижным зеркалом (например, пайка волной припоя). Особую подгруппу составляют так называемые методы оплавления предварительно нанесенной припойной пасты
– инфракрасная пайка и конденсационная (парофазная) пайка.
Важнейшими критериями выбора метода пайки компонентов на ПП
являются:
вид контактируемых материалов;
конструктивные параметры ПП (шаг координатной сетки, размеры и
форма контактных площадок, зазоры между ними, толщина материала
площадки и др.);
элементная база и способ установки на ПП (материал корпуса, форма и размеры выводов, монтаж в отверстия, планарно или безвыводной
монтаж);
условия эксплуатации аппаратуры;
термическая устойчивость ПП и компонентов;
механическая устойчивость ПП и компонентов;
экономические факторы;
постоянство характеристик метода с позиции надежности контактирования.
1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ
ПАЯНОГО СОЕДИНЕНИЯ

Низкое электрическое переходное сопротивление и хорошая механическая стабильность достигаются наиболее надежно при объединении
контактируемых металлов за счет сил атомной связи.
Большинство физических свойств, например, прочность, твердость,
эластичность, теплопроводность и электропроводность, намагничиваемость, скорость роста и растворения зависят от направления кристаллической решетки.

ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебное пособие написано к читаемому на кафедре технологии аэрокосмического приборостроения курсу «Физические основы получения информации» и к той его части, где изучаются электромагнитное поле, электромагнитные явления и основные законы
электродинамики. Пособие составлено таким образом, чтобы этот материал был воспринят как теоретические основы получения информации с применением электромагнитного поля и радиоволн, а также в
качестве теоретической базы проектирования различных типов электромагнитных датчиков-преобразователей первичной информации, работающих в радиоволновом, оптическом и рентгеновском диапазонах.
Такой подход оказался единственно возможным, так как отсутствуют
учебники, учебные пособия и монографии, где вопросы электромагнетизма рассматривались бы под требуемым программой курса ракурсом.
Изучаемые в начале курса элементарные источники информации и создаваемые ими «кванты энергодействия» здесь рассматриваться не будут.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МАКРОСКОПИЧЕСКОЙ
ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
Электромагнитные поля и волны широко применяются для получения информации в различных областях техники. Рассмотрим некоторые понятия и положения, на которых базируются соответствующие
методы исследования.
Теория электромагнитного поля, или электродинамика – это раздел
теоретической физики, изучающий макроскопические электромагнитные явления.
Таким образом, макроскопическими называются явления, в которых
принимает участие громадное число частиц-молекул, атомов, фотонов,
при этом квантовые, индивидуальные свойства этих частиц несущественны. Поэтому в макроскопической теории явлений вещество, заряды и поля рассматриваются как непрерывные.
Точно так же условно считают, что физические величины, описывающие свойства макроскопических объектов (заряд, масса, энергия и т. п.),
изменяются непрерывно.
В то же время в силу теоретически и экспериментально установленной
дискретности материи макроскопическая электродинамика является лишь
приближенной, но достаточной для исследования явлений получения технической информации с применением электромагнитных полей и волн.
Границы применимости макроскопической теории точно установить трудно ввиду неопределенности понятия «громадное число». На практике можно считать, что макроскопическое описание допустимо, если линейные
размеры и объемы областей исследования не превышают микрометра. Такое приближение вполне допустимо при расчетах и проектировании современных технических средств измерений и контроля, использующих поля
и волны практически всего электромагнитного диапазона.
В процессе изучения и при анализе макроскопических электромагнитных явлений приходится сталкиваться с предельными

Предисловие
в последние несколько лет на вступительных экзаменах в вузы и
олимпиадах по физике произошли изменения в структуре и тематике экзаменационных заданий. данное пособие представляет собой
набор задач и тестовых заданий, охватывающих основные разделы
курса физики средней школы, которые будут полезны при подготовке к олимпиадам и для успешной сдачи единого государственного экзамена (егЭ), который превратился в реальность для выпускников средних общеобразовательных школ россии.
Хороший результат на экзамене по физике достигается не только
знаниями в объеме обязательных требований программы средней
школы, но и умениями применять полученные знания на практике при решении задач и при выполнении тестовых задач единого
экзамена.
в пособии, состоящем из трех частей (трех книг), приведены задачи и тесты практически по всем разделам физики. для удобства
задачи скомпонованы по небольшим темам, названия которых приведены перед каждой «порцией» заданий, которые, как правило, соответствуют уровню A и B тестов егЭ. Кроме того, в пособии приведены задачи повышенной сложности (уровень C) с подробным решением таких задач.
для более эффективной подготовки к экзаменам в Приложении
1 приведено основное тематическое содержание вопросов егЭ по физике, в Приложении 2 приведены некоторые физические постоянные, а в Приложении 3 приведены комментарии к структуре егЭ
по физике.
дорогие ребята! решение задач разного уровня сложности позволят выявить степень вашей подготовленности: от формального знания теоретического материала до умения анализировать процессы
и явления и адекватно описывать их с помощью физических понятий и законов. Следует отметить, что решение задач – процесс творческий, и его не всегда удается представить в виде жесткой алгоритмической схемы. однако, опыт работы со студентами и абитуриен

тами позволяет высказать ряд рекомендаций, учет которых поможет при решении задач.
1. внимательно прочитайте условие задачи, так как каждое слово и даже предлоги имеют смысловое значение.
2. введите удобные логичные обозначения физических величин.
если в процессе решения окажется, что обозначения неудачны, то
замените их новыми и заново решайте задачу.
3. Изобразите описанную в условии ситуацию на рисунке или
схеме. Аккуратно выполненный рисунок с указанием на нем заданных и искомых величин позволяет глубже понять содержание задачи и часто помогает найти путь ее решения.
4. определите главный закон (или законы), являющийся фундаментом, на котором строится решение задачи. например, в динамике таким законом может быть второй закон ньютона, а в статике –
условия равновесия и т.д.
5. Сложную задачу целесообразно разбить на несколько простых,
решения которых объединяются в одно.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В сборник задач включены задачи по разделам физики, которые рассматривают квантовые свойства излучения, волновые свойства частиц,
теорию строения атома и атомного ядра. В начале каждого раздела приведены основные формулы и краткие теоретические сведения. Из этих
задач составляются домашние задания для студентов.
Решение задачи предполагает подробное рассмотрение основных законов, вывод итоговой формулы в обозначениях, предложенных в условии задачи, и правильный численный ответ. Если в задаче встречаются
векторные величины, то необходим рисунок с обозначением направлений векторов.
Подготовлен коллективом авторов кафедры физики Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения: Коваленко И. И. – разд. 2, 7, 8; Лавровская Н. П. – разд. 6, 9;
Литвинова Н. Н. – разд. 3; Орлов В. Ф. – разд. 5; Плехоткина Г. Л. –
разд. 4; Прилипко В. К. – разд. 10; Рутьков Е. В. – разд. 6; Царев Ю. Н. –
разд. 2; Щербак С. Я. – разд. 1.

1. ТЕПЛОВОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Теоретические сведения
Тело, полностью поглощающее весь падающий на него световой поток, называется абсолютно черным телом. Для абсолютно черного тела
коэффициент поглощения k =1. Энергетическая светимость Rе абсолютно
черного тела – энергия, излучаемая в единицу времени с единицы площади поверхности (закон Стефана–Больцмана)
Rе=T 4,
(1.1)
где Т – термодинамическая температура; – постоянная Стефана – Больцмана.
Энергетическая светимость серого тела:
Rе= kT 4,
где k – коэффициент поглощения серого тела, k < 1.
Поток Ф (или мощность) излучения нагретой поверхности:
Ф = RеS,
где S – площадь излучающей поверхности.
Излучаемая энергия Е:
E= Фt,
где t – время излучения.

Длина волны m, соответствующая максимуму спектральной плотности энергетической светимости r () абсолютно черного тела (первый закон Вина):

где b – постоянная Вина.

m= b/T,

(1.5)

Максимальная спектральная плотность энергетической светимости
r ( m) абсолютно черного тела (второй закон Вина):

r (m) = СТ 5,
где С = 1,29•10–5 Вт/(м3• К5).

Формула Планка:

где – приведенная постоянная Планка; – циклическая частота излучения; c – скорость света в вакууме; kБ – постоянная Больцмана.
Связь между длиной волны света в вакууме и циклической частотой будет

Энергия фотона:

2 c / .
h ,

(1.8)
(1.9)

где h 2 – постоянная Планка; / 2 – частота излучения.
Связь между энергией тела Е и его массой m:

E = mc2.

Задачи

(1.10)

1.1. Температура Т абсолютно черного тела изменилась при нагревании от 1000 до 3000 К. Во сколько раз увеличилась при этом его энергетическая светимость Rе
1.2. Вычислить энергию, излучаемую за время t = 1 мин с площади
S = 1 см2 абсолютно черного тела, температура которого T = 1000 К.
1.3. Из смотрового окошка печи излучается поток Ф = 2040 Дж/мин.
Определить температуру печи Т, если площадь окошка S =

Цель работы

1. Экспериментальная проверка законов упругого и неупругого центрального соударения для системы двух тележек, движущихся с малым трением.
2. Исследование зависимости ускорения тележки от приложенной силы и массы тележки.

Краткая теория:

Рассмотрим абсолютно упругое центральное соударение двух тел массами и . При таком соударении в замкнутой системе двух тел выполняются законы сохранения импульса и энергии. Пусть до соударения движется только первое тело, тогда уравнения законов имеют вид

, (1)

где – скорость первого тела до удара, и – соответственно, скорости первого и второго тел после удара. Считая скорость известной, найдем скорости обоих тел после удара. Пусть условия соударения таковы, что после удара оба тела продолжают двигаться параллельно той прямой, по которой двигалось первое тело до удара.

Введем координатную ось OX , сонаправленную с вектором . Для проекций скоростей , из уравнений (1) получим систему двух уравнений:

. (2)

Умножим все слагаемые второго уравнения на два, и перенесем налево в обоих уравнениях слагаемые, характеризующие импульс и энергию первого тела:

(3)

После удара скорость первого тела должна изменится. Поэтому содержимое скобок в левых частях уравнений (3) отлично от нуля, и для упрощения системы можно поделить левые и правые части нижнего уравнения на соответствующие части верхнего уравнения. Результат деления сделаем вторым уравнением системы:

. (4)

Отсюда нетрудно найти окончательные выражения для скоростей:

. (5)

Из первого уравнения (5) следует, что в зависимости от соотношения масс первое тело после соударения может:

а) продолжить движение вперед ();

б) остановится ();

в) поменять направление движения на противоположное ().

При абсолютно неупругом соударении рассмотренных выше тел, оба тела после удара двигаются как одно целое с суммарной массой. В этом случае законы сохранения импульса и энергии принимают вид

. (6)

Здесь – скорость тел после соударения, – потери

Лабораторная работа №10 A

Исследование спектров инертных газов

Цель работы – идентификация инертного газа путем определения длин волн его спектральных линий.

Краткие сведения из теории

Надежным бесконтактным способом определения химического состава вещества является способ, основанный на изучении его спектра испускания. Ионизованные одноатомные газы при достаточном разрежении испускают излучение с линейчатым спектром, который в монохроматоре представляет собой ряд тонких линий, имеющих на различных участках видимой области спектра определенный цвет (от фиолетового до красного). Излучение возбужденного атома подчиняется законам квантовой механики. Согласно квантово-механическим представлениям, испускание фотона характери­стического излучения в оптическом диапазоне происходит в результате спонтанного перехода внешнего (валентного) электрона атома из стационарного состояния с энергией E₁в состояние с меньшей энергией Е₂, при этом

– постоянная Планка, – круговая частота излучения. Поглощение излучения атомом является процессом, обратным испусканию, и сопровождается возбуждением атома, т. е. переходом внешнего электрона в состояние с большей энергией. Состояние сложного атома в рамках LS типа связи задается набором квантовых чисел: , где – полные орбитальное и спиновое квантовые числа атомного остова, который образуется из атома при удалении внешнего электрона; l – орбитальное квантовое число внешнего электрона; L, S— полные орбитальное и спиновое квантовые числа атома; J – квантовое число полного момента импульса атома. Состояния атома, соответствующие различным наборам квантовых чисел , определяют спектр атома.

Радиационные переходы происходят только между двумя такими состояниями атома, для которых справедливы следующие правила отбора:

(77.2)

Необходимо усвоить, что правила отбора являются фактически

МЕХАНИКА

1. Кинематика
1.1. Самолет летит из пункта А к пункту В, расположенному на расстоянии 300 км к востоку. Определить продолжительность полета, если:
1) ветра нет; 2) ветер дует с севера на юг; 3) ветер дует с запада на
восток. Скорость ветра 20 м/с, скорость самолета относительно воздуха
600 км/ч.
1.2. Тело, брошенное вертикально вверх, вернулось на землю через
3 с. 1. Какова была начальная скорость тела 2. На какую высоту поднялось тело Сопротивление воздуха не учитывать.
1.3. С аэростата, находящегося на высоте 300 м, упал камень. Через сколько времени камень достигнет земли, если: 1) аэростат поднимается со скоростью 5 м/с; 2) аэростат опускается со скоростью
5 м/с; 3) аэростат неподвижен Сопротивлением воздуха пренебречь.
1.4. Свободно падающее тело в последнюю секунду своего падения
проходит половину своего пути. Найти: 1) с какой высоты падает тело;
2) продолжительность его падения.
1.5. Расстояние между двумя станциями метрополитена 1,5 км. Первую половину этого расстояния поезд проходит равноускоренно, вторую равнозамедленно. Максимальная скорость поезда 50 км/ч. Найти:
1) величину ускорения, считая его численно равным замедлению;
2) время движения поезда между станциями.
1.6. Вагон движется равнозамедленно (a = 0,5 м/с2). Начальная скорость вагона 54 км/ч. Через сколько времени и на каком расстоянии от
начальной точки вагон остановится
1.7. Зависимость пройденного телом пути от времени дается уравнением s = At Bt2 + Ct3, где А = 2 м/с, В = 3 м/c2 и С = 4 м/c3. Найти:
1) зависимость скорости и ускорения от времени; 2) расстояние, пройденное телом, скорость и ускорение тела через 2 с после начала движения. Построить график пути, скорости и ускорения для 0 Ј t і 3 с
через 0,5 с.
1.8. Зависимость пройденного телом пути от времени дается уравнением s = A Bt + Ct2, где А = 6 м, В = 3 м/c и С = 2 м/c2. Найти среднюю
скорость и среднее ускорение тела в интервале времени от 1 до 4 с.
Построить график пути, скорости и ускорения для 0 Ј t і 5 с через 1 с.
1.9. С башни высотой 25 м горизонтально брошен камень со скоростью 15 м/с. Найти: 1) сколько времени камень будет в движении; 2) на
каком расстоянии от основания башни он упадет на землю; 3) с какой
скоростью он упадет на землю; 4) какой угол составит траектория камня с горизонтом в точке его падения на землю. Сопротивление воздуха
не учитывать.
1.10. Камень, брошенный горизонтально, упал на землю через 0,5 с на
расстоянии 5 м по горизонтали от места бросания. 1. С какой высоты
был брошен камень 2. С какой начальной скоростью он был брошен
3. С какой скоростью он упал на землю 4. Какой угол составляет траектория камня с горизонтом в точке его падения на землю Сопротивление воздуха не учитывать.
1.11. Камень брошен горизонтально со скоростью 15 м/с. Найти нормальное и тангенциальное ускорения камня через 1 с после начала движения.