Основы физики

Размещено на http://www.allbest.ru/

Билет № 1

Механическое движение. Относительность движения. Равномерное и равноускоренное прямолинейное движение

Механическим движением тела называется изменение его положения в пространстве относительно других тел с течением времени.

Любое движение относительно. Вид движения зависит от того, относительно каких тел рассматривается данное движение.

Пример: человек, едущий на эскалаторе в метро, находится в покое относительно самого эскалатора и перемещается относительно стен туннеля.

Тело, относительно которого мы рассматриваем положение других тел в пространстве, называется телом отсчета. Для того чтобы задать положение тела в пространстве, необходима система координат, связанная с телом отсчета и прибор для измерения времени (часы). Тело отсчета, связанная с ним система координат и часы образуют систему отсчета. Положение тела задается координатой. Существуют одномерная, двумерная и трехмерная системы координат.

Для описания механического движения используется модель реального тела - материальная точка. Материальная точка - это тело размерами и формой которого можно пренебречь в условиях данной задачи.

Пример: космический корабль относительно Земли можно считать материальной точкой, а относительно космонавта, находящегося внутри - нет.

Линию, вдоль которой движется тело называют траекторией:

Длину траектории называют пройденным путем:

Механическое движение характеризуется тремя физическими величинами: перемещением, скоростью и ускорением. Перемещение - это вектор, соединяющий начальную и конечную точку траектории: [м].

 А

В

АВ - перемещение

Скорость - векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения тела, численно равная отношению перемещения за малый промежуток времени к величине этого промежутка. Промежуток времени считается достаточно малым, если скорость при неравномерном движении в течение промежутка не менялась. Измеряют скорость спидометром. - скорость [м/с]

Ускорение - векторная физическая величина, характеризующая, быстроту изменения скорости, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, в течение которого это изменение произошло. Если скорость изменяется одинаково в течение всего времени движения, то ускорение можно рассчитать по формуле:

[].

Прямолинейным равномерным движением называют такое движение, при котором тело за любые равные промежутки времени совершает одинаковые перемещения, .

- координата тела

Одним из частных случаев неравномерного движения является равноускоренное движение. Равноускоренное движение - это движение тела, при котором его скорость за любые равные промежутки времени изменяется одинаково. При таком движении проекция скорости линейно зависит от времени. Это значит, что графиком зависимости является отрезок прямой.

t t

равноускоренное движение равнозамедленное движение

Найдем зависимость перемещения от времени при прямолинейном равноускоренном движении. Если начальная скорость равна нулю, то фигура ограниченная графиком и осью t - треугольник площадью .

0 t

Если начальная скорость не равна нулю, то фигура, ограниченная графиком и осью t - трапеция, состоящая из прямоугольника площадью и треугольника площадью.

0 t

, , , , .

Билет № 2

Взаимодействие тел. Сила. Законы динамики Ньютона

Изменение характера движения, появление ускорения есть результат действия на тело других тел. Воздействие одного тела на другое может происходит двумя способами: благодаря непосредственному соприкосновению тел или посредством полей. Сила - мера взаимодействия. Сила - секторная физическая величина, характеризующая действие одного тела на другое, в результате которого тело приобретает ускорение или изменяет форму и размеры. Сила характеризуется: величиной, точкой приложения, направлением.

- сила [Н]

1 Н - это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1. Для измерения силы используется динамометр.

Явление инерции хорошо знакомо каждому из нас. Пример: при резком торможении автомобиля пассажир по инерции продолжает двигаться вперед с прежней скоростью. Явление сохранения скорости движения тела при отсутствии внешних воздействий называется инерцией.

Всякий покой и движение тел относительны. Одно и тоже тело может находиться в состоянии покоя в одной системе отсчета и двигаться с ускорением в другой системе отсчета. В каких же системах отсчета наблюдается явление инерции и существуют ли такие системы отсчета? Ответ на этот вопрос дает один из основных законов механики, который называется первым законом Ньютона (или законом инерции): существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действие других тел компенсируется).

Системы отсчета, относительно которых тело при отсутствии внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно называют инерциальными системами отсчета (ИСО). Пример: системы отсчета связанные с Землей, обычно считают ИСО.

Все тела обладают свойством инертности. Инертность - свойство тела, от которого зависит его ускорение при взаимодействии с другими телами. Количественной мерой инертности тела является масса тела. Масса тела - это физическая величина, характеризующая инертность.

Второй закон Ньютона: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение: .

Смысл второго закона Ньютона заключается в том, что действующие на тело силы, определяют изменение скорости тела, а не скорость движения тела. Он выполняется только в ИСО.

Третий закон Ньютона: тела, действуют друг на друга с силами, направленными вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению:

.

Билет № 3

Импульс тела. Закон сохранения импульса. Проявление закона сохранения импульса в природе и использование его в технике

Простые опыты и наблюдения доказывают, что покой и движение относительны, скорость тела зависит от выбора системы отсчета; по третьему закону Ньютона независимо от того, находилось ли тело в покое или двигалось, изменение скорости его движения может происходить только под действием силы, т. е. в результате взаимодействия с другими телами. Однако существуют величины, которые могут сохраниться при взаимодействии тел такими величинами являются энергия и импульс.

Импульсом тела (или количеством движения) называют векторную физическую величину, равную произведению массы тела на скорость его движения; является количественной характеристикой поступательного движения тел.

- импульс []

Направление вектора импульса совпадает с направлением вектора скорости. Для импульса системы тел выполняется закон сохранения, который справедлив только для замкнутых систем. Замкнутой системой называется система тел, не взаимодействующих с другими телами, не входящими в эту систему.

Предположим, что взаимодействуют друг с другом два тела(тележки) с массами и , движущихся относительно выбранной системы отсчета со скоростями и .



На тела при их взаимодействии действуют соответственно силы и , и после взаимодействия они стали двигаться со скоростями и . Тогда:

, где t - время взаимодействия.

= -

- закон сохранения импульса.

Слева: сумма импульсов тележек до взаимодействия, справа: сумма импульсов тележек после взаимодействия.

Закон сохранения импульса: в замкнутой системе геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой. Закон сохранения импульса лежит в основе реактивного движения. Реактивное движение - это такое движение тела, которое возникает после отделения от тела его части.

Большая заслуга в развитии теории реактивного движения принадлежит К. Э. Циолковскому. Он разработал теорию полета тела переменной массы (ракеты) в однородном поле тяготения и рассчитал запасы топлива, необходимые для преодоления силы земного притяжения; основы теории жидкостного реактивного двигателя, а также элементы его конструкции; теорию многоступенчатых ракет, причем предложил два варианта: параллельный (несколько реактивных двигателей работают одновременно) и последовательный (реактивные двигатели работают друг за другом). Циолковский строго научно доказал возможность полета в космос с помощью ракет т жидкостным реактивным двигателем, предложил специальные траектории посадки космических аппаратов на Землю, выдвинул идею создания межпланетных орбитальных станций и подробно рассмотрел условия жизни и жизнеобеспечения на них. Теоретические идеи Циолковского находят применение при создании современной ракетно-космической техники. Движение с помощью реактивной струи по закону сохранения импульса лежит в основе гидрореактивного двигателя.

В основе движения многих морских моллюсков (осьминогов, медуз, каракатиц, кальмаров) также лежит реактивный принцип.

Билет № 4

Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес. Невесомость

Ньютон выдвинул предположение, что между всеми телами действуют силы взаимного притяжения (сила всемирного тяготения). Сила всемирного тяготения проявляется в космосе, солнечной системе и на Земле. Ньютон обобщил законы движения небесных тел и выяснил, что сила равна:

-закон всемирного тяготения

где: - массы взаимодействующих тел,

r - расстояние между телами,

G - гравитационная постоянная.

Численное значение гравитационной постоянной опытным путем определил Кавендиш, измеряя силу взаимодействия между свинцовыми шарами.

Закон всемирного тяготения: все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Силы всемирного тяготения действуют между любыми телами в природе, но ощутимыми они становятся при больших массах. Закон всемирного тяготения выполняется только для материальных точек и шаров (в этом случае за расстояние принимается расстояние между центрами шаров).

Одним из проявлений силы всемирного тяготения является сила притяжения к Земле - сила тяжести. Под действием этой силы все тела приобретают ускорение свободного падения.

Сила тяжести направлена к центру Земли в зависимости от высоты h над поверхностью Земли и географической широты положения тела ускорение свободного падения приобретает различные значения. На поверхности Земли и в средних широтах: .

Где: - масса Земли, - масса тела, - расстояние от центра Земли до данного тела, - высота над поверхностью Земли, - радиус Земли.

В технике и быту широко используется понятие веса. Вес - это сила, с которой тело вследствие его притяжения к Земле, действует на горизонтальную опору или подвес.

- вес [Н]

1. Если тело находится в покое на горизонтальной поверхности или равномерно движется и на него действуют только сила тяжести и сила упругости со стороны опоры, то можно записать:

,

,

,

,

2. Если тело вместе с опорой движется вниз с ускорение , то вес тела станет меньше, чем когда оно покоилось.

0

Х

(по второму закону Ньютона)

(по третьему закону Ньютона)

Если тело вместе с опорой или подвесом движется с ускорением, которое направлено так же, как ускорение свободного падения, то его вес меньше веса покоящегося тела.

3. Если тело вместе с опорой резко поднять вверх, сообщив ускорение , направленное вверх, то вес увеличивается.

0

Х

(по второму закону Ньютона)

(по третьему закону Ньютона)

Увеличение веса, вызванное его ускоренным движением называется перегрузкой. Действие перегрузки испытывает на себе космонавт ка при взлете ракеты, так и при торможении корабля при входе в плотные слои атмосферы; водители автомобилей при резком торможении.

Если груз с опорой заставить свободно падать, то вес тела становится равным нулю. При свободном падении и груз, и опора движутся с одинаковым ускорением . Опора не деформируется, и нет силы реакции опоры, действующей на груз, и груз не деформируется и не действует на опору. Вес исчезает. Говорят, что груз стал невесомым. Невесомость - состояние тела, в котором его вес равен нулю. Состояние невесомости наблюдается в самолете или космическом корабле при движении с ускорением свободного падения независимо от направления и значения скорости их движения. В состоянии невесомости находится человек во время прыжка с момента отрыва от Земли до момента приземления; прыгун в воду, прыгающий с вышки до соприкосновения с водой.

Билет5

Превращение энергии при механических колебаниях. Свободные и вынужденные колебания. Резонанс

Механическими колебаниями называют движения тела, повторяющиеся точно или приблизительно через одинаковые промежутки времени. Основными характеристиками механических колебаний являются: смещение, амплитуда, частота, период. Смещение -- это отклонение от положения равновесия. Амплитуда -- модуль максимального отклонения от положения равновесия. Частота -- число полных колебаний, совершаемых в единицу времени. Период -- время одного полного колебания, т. е. минимальный промежуток времени, через который происходит повторение процесса. Период и частота связаны соотношением:

v = 1/T.

Простейший вид колебательного движения -- гармонические колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса (рис. 8).

Свободными -- называют колебания, которые совершаются за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на систему, совершающую колебания. Например, колебания груза на нити (рис. 9).

Рассмотрим процесс превращения энергии на примере колебаний груза на нити (см. рис. 9).

При отклонении маятника от положения равновесия он поднимается на высоту h относительно нулевого уровня, следовательно, в точке А маятник обладает потенциальной энергией mgh. При движении к положению равновесия, к точке О, уменьшается высота до нуля, а скорость груза увеличивается, и в точке О вся потенциальная энергия mgh превратится в кинетическую энергию mvг/2. В положении равновесия кинетическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная энергия минимальна. После прохождения положения равновесия происходит превращение кинетической энергии в потенциальную, скорость маятника уменьшается и при максимальном отклонении от положения равновесия становится равной нулю. При колебательном движении всегда происходят периодические превращения его кинетической и потенциальной энергий.

При свободных механических колебаниях неизбежно происходит потеря энергии на преодоление сил сопротивления. Если колебания происходят под действием периодически действующей внешней силы, то такие колебания называют вынужденными. Например, родители раскачивают ребенка на качелях, поршень движется в цилиндре двигателя автомобиля, колеблются нож электробритвы и игла швейной машины. Характер вынужденных колебаний зависит от характера действия внешней силы, от ее величины, направления, частоты действия и не зависит от размеров и свойств колеблющегося тела. Например, фундамент мотора, на котором он закреплен, совершает вынужденные колебания с частотой, определяемой только числом оборотов мотора, и не зависит от размеров фундамента.

При совпадении частоты внешней силы и частоты собственных колебаний тела амплитуда вынужденных колебаний резко возрастает. Такое явление называют механическим резонансом. Графически зависимость вынужденных колебаний от частоты действия внешней силы показана на рисунке:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Явление резонанса может быть причиной разрушения машин, зданий, мостов, если собственные их частоты совпадают с частотой периодически действующей силы. Поэтому, например, двигатели в автомобилях устанавливают на специальных амортизаторах, а воинским подразделениям при движении по мосту запрещается идти «в ногу».

При отсутствии трения амплитуда вынужденных колебаний при резонансе должна возрастать со временем неограниченно. В реальных системах амплитуда в установившемся режиме резонанса определяется условием потерь энергии в течение периода и работы внешней силы за то же время. Чем меньше трение, тем больше амплитуда при резонансе.

Билет №6

Опытное обоснование основных положений МКТ строения вещества. Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро

Молекулярно-кинетическая теория -- это раздел физики, изучающий свойства различных состояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов, как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:

1. Все вещества состоят из мельчайших частиц: молекул, атомов или ионов.

2. Эти частицы находятся в непрерывном хаотическом движении, скорость которого определяет температуру вещества.

3. Между частицами существуют силы притяжения и отталкивания, характер которых зависит от расстояния между ними.

Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул, атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предоставленный им объем объясняется непрерывным хаотическим движением молекул. Упругость газов, твердых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии -- способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого -- тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распространение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавления или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотического движения молекул является также и броуновское движение -- непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.

Движение броуновских частиц объясняется хаотическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путем было доказано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости. Теорию броуновского движения разработал А. Эйнштейн. Законы движения частиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсивности броуновского движения -- уменьшение температуры. Существование броуновского движения убедительно подтверждает движение молекул.

Массы молекул очень малы, и удобно использовать не абсолютные значения, а относительные. Относительные массы атомов и молекул были определены очень давно. Относительные атомные массы всех химических элементов указаны в таблице Менделеева. Физическими методами, например по движению ионов в электрическом и магнитном полях, удалось определить массы некоторых атомов в абсолютных единицах. Так появилась атомная единица массы (а. е. м.), равная 1/12 массы атома углерода, то относительная молекулярная масса позволяет найти массу любой молекулы или атома

Диаметром молекулы принято считать минимальное расстояние, на которое им позволяют сблизиться силы отталкивания. Однако понятие размера молекулы является условным. Средний размер молекул порядка 10-10 м.

Многие свойства вещества определяются только числом частиц, но не зависит от свойств частиц. Например, давление идеального газа определяется концентрацией частиц и температурой : .

Именно поэтому возникло в физике понятие количество вещества. Единица количества вещества определяется на основе соотношения для расчета числа частиц N в веществе любой массы.

Действительно

При переходе к СИ было взято в качестве единицы количества вещества число в раз меньшее, т. е. . Эта единица называется моль. Моль -- это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода.

Число частиц в одном моле вещества называется числом Авогадро.

na = 6,02 * 1023 моль-1.

Теперь можно найти массу одного моля M. Эта величина называется молярной массой. Действительно, по определению

Из формулы следует, что единицей молярной массы вещества будет кг/моль.

Билет №7

Идеальный газ. Основное уравнение МКТ идеального газа. Температура и ее измерение. Абсолютная температура

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. Идеальным принято считать газ, если: а) между молекулами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела; б) газ очень разряжен, т. е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул; в) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно.

Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрел свойства идеального, осуществляются при соответствующем разряжении реального газа. Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении слабо отличаются от идеальных.

Основными параметрами идеального газа являются давление, объем и температура. Одним из первых и важных успехов МКТ было качественное и количественное объяснение давления газа на стенки сосуда. Качественное объяснение заключается в том, что молекулы газа при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела и передают свои импульсы стенкам сосуда.

На основании использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено основное уравнение МКТ идеального газа, которое выглядит так:

р = 1/3 т0пv2.

р -- давление идеального газа,

m0 --масса молекулы,

п -- концентрация молекул,

v2 -- средний квадрат скорости молекул.

Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа Еk получим основное уравнение МКТ идеального газа в виде:

р = 2/3nЕk.

Однако, измерив только давление газа, невозможно узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужно измерение какой-то еще физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной в физике является температура. Температура -- скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия (состояния, при котором не происходит изменения микроскопических параметров). Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетическая величина характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией.

Ek = 3/2 kT,

где k = 1,38 * 10-23 Дж/К и называется постоянной Больцмана.

Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Измеряется температура термометрами в градусах различных температурных шкал. Существует абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) и различные эмпирические шкалы, которые отличаются начальными точками. До введения абсолютной шкалы температур в практике широкое распространение получила шкала Цельсия (за 0 °С принята точка замерзания воды, за 100 °С принята точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении).

Единица температуры по абсолютной шкале называется Кельвином и выбрана равной одному градусу по шкале Цельсия 1К = 1 °С. В шкале Кельвина за ноль принят абсолютный ноль температур, т. е. температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю. Вычисления дают результат, что абсолютный ноль температуры равен -273 °С. Таким образом, между абсолютной шкалой температур и шкалой Цельсия существует связь

Т = t °С + 273.

Абсолютный ноль температур недостижим, так как любое охлаждение основано на испарении молекул с поверхности, а при приближении к абсолютному нулю скорость поступательного движения молекул настолько замедляется, что испарение практически прекращается. Теоретически при абсолютном нуле скорость поступательного движения молекул равна нулю, т. е. прекращается тепловое движение молекул.

Билет № 8

Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева - Клапейрона). Изопроцессы

Состояние данной массы газа полностью определено, если известны его давление, температура и объем. Эти величины называются параметрами состояния газа. Уравнение, связывающее параметры состояния, называется уравнением состояния.

- уравнение состояния идеального газа для произвольной массы газа

движение динамика тяготение колебание

R - универсальная газовая постоянная

Особую роль в физике и технике играют три процесса: изотермический, изохорный, изобарный.

Процессы, протекающие при неизменном значении одного из параметров называются изопроцессами. Из уравнения состояния как частные случаи получаются законы для изопроцессов.

Изотермический процесс - это процесс изменения состояния термодинамической системы макроскопических тел при постоянной температуре. Он описывается законом Бойля - Мариотта: для газа данной массы произведение давления газа на его объем постоянно, если температура газа не меняется:

P

Размещено на http://www.allbest.ru/

V

Изохорный процесс - это процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном объеме. он подчиняется закону Шарля: для газа данной массы отношение давления к температуре постоянно, если объем не меняется:

P

V

Изобарный процесс - это процесс изменения состояния термодинамической системы при постоянном давлении. Для него справедлив закон Гей - Люссака: для газа данной массы отношение объема к температуре постоянно, если давление газа не меняется:

V

Размещено на http://www.allbest.ru/

T

Билет 9

Испарение и конденсация

Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Измерение влажности воздуха.

Испарение -- парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Неравномерное распределение кинетической энергии молекул при тепловом движении 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 давления насыщенного, называют ненасыщенным.

Вследствие постоянного испарения воды с поверхности 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 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. 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 ().

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) насыщенного пара при той же температуре, выраженное в процентах:

- относительная влажность,

- плотность водяного пара,

- плотность насыщенного пара,

- давление водяного пара,

- давление насыщенного пара.

Относительная влажность колеблется в широких пределах. Причем суточный ход относительной влажности обратен суточному ходу температуры. Днем с возрастанием температуры и, следовательно, с ростом давления относительная влажность убывает, а ночью возрастает. Одно и то же количество водяного пара может либо насыщать, либо ненасыщать 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:

· Психрометр (действие основано на сравнении показаний сухого и влажного термометров),

· Гигрометр Ламбрехта (эфирный) (для определения точки росы),

· Гигрометр волосяной (действие основано на свойстве обезжиренного волоса менять свою длину в зависимости от влажности воздуха).

Билет №10

Кристаллические и аморфные тела. Упругие и пластические деформации твердых тел

Каждый может легко разделить тела на твердые и жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) -- это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах -- это аморфные. Третьи будут изменять свое состояние при нагревании так, как показано на графике (рис. 1). Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением. Кристаллические тела -- это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решеткой. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.

Рис. 1

Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами. Монокристалл обладает единой кристаллической решеткой во всем объеме.

Анизотропия монокристаллов заключается в зависимости их физических свойств от направления. Поликристалл представляет собой соединение мелких, различным образом ориентированных монокристаллов (зерен) и не обладает анизотропией свойств.

Большинство твердых тел имеют поликристаллическое строение (минералы, сплавы, керамика).

Основными свойствами кристаллических тел являются: определенность температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от порядка расположения атомов, т. е. от типа кристаллической решетки.

Аморфными называют вещества, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны. Это значит, что свойства одинаковы по всем направлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует определенная температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. п.

Упругость -- свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. Для упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому упругие деформации прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям. Для деформации растяжения - сжатия закон Гука имеет вид:

где - механическое напряжение,

- относительное удлинение

- абсолютное удлинение

- модуль Юнга (модуль упругости)

Упругость обусловлена взаимодействием и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.

Пластичность -- свойство твердых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после того, как действие этих сил прекратится. Такие деформации называются пластическими.

Билет № 11

Работа в термодинамике. Внутренняя энергия. Первый закон термодинамики. Применение первого закона термодинамики к изопроцессам. Адиабатный процесс

Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия - это величина, характеризующая собственное состояние тела, т. е. энергия теплового движения микрочастиц системы (молекул, атомов, ионов) и энергия взаимодействия этих частиц.

Найдем внутреннюю энергию одноатомного идеального газа. Если потенциальная энергия взаимодействия молекул равна нулю, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий хаотического теплового движения всех его молекул.

, , ,

[Дж]

Внутренняя энергия может изменяться только в результате взаимодействия с другими телами. Существует два способа изменения внутренней энергии:

1. теплопередача,

2. совершение механической работы.

Теплопередача - это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность, конвекция, излучение.

Найдем работу в термодинамике.

Размещено на http://www.allbest.ru/

h

- сила, действующая на газ со стороны поршня, - сила, действующая на поршень со стороны газа.

= -(по третьему закону Ньютона), ,

- работа газа [Дж]

Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты Q [Дж].

Рассмотрим три тела 1, 2, 3. между телом 1 и 2 осуществляется теплопередача, а между 1 и 3 происходит механическое взаимодействие, тогда , . В результате теплопередачи и механического взаимодействия внутренняя энергия каждого из трех тел изменилась, но по закону сохранения энергии внутренняя энергия остается неизменной. Следовательно,

Первый закон термодинамики:

1. в неизолированной термодинамической системе изменение внутренней энергии равно сумме количества теплоты, переданного системе, и работы внешних сил: .

- работа внешних сил, - работа газа.

2. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы и изменение ее внутренней энергии: .

Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам. В изотермическом процессе температура постоянная, следовательно, внутренняя энергия не изменяется. Тогда уравнение первого закона термодинамики примет вид: , т. е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение работы при изотермическом расширении, именно поэтому температура не изменяется.

В изобарном процессе газ расширяется и количество теплоты, переданное газу, идет на увеличение его внутренней энергии и на совершение им работы:.

При изохорном процессе газ не меняет своего объема, следовательно, работа им не совершается, т. е. А=0, и уравнение первого закона термодинамики имеет вид: , т. е. переданное количество теплоты идет на увеличение внутренней энергии газа.

Адиабатным называют процесс, протекающий без теплообмена с окружающей средой Q = 0, следовательно, газ при расширении совершает работу за счет уменьшения его внутренней энергии, следовательно газ охлаждается . Кривая, изображающая адиабатный процесс, называется адиабатой.

Второй закон термодинамики: невозможно перевести теплоту от более холодной системы к более горячей при отсутствии других одновременных изменений в обеих системах или окружающих телах (Клаузиус).

Билет № 12

Взаимодействие заряженных тел. Закон сохранения электрического заряда. Закон Кулона

Электрическое поле - это материальный передатчик взаимодействия электрических зарядов, который существует вокруг наэлектризованных тел. Свойства электрического поля:

1. создается зарядами,

2. действует на заряды.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной -- электрическим зарядом, который обозначается q. Единица измерения электрического заряда -- кулон (Кл). 1 кулон -- это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А.

Способность электрических зарядов, как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен:

е=1,6*10-19 Кл.

Закон сохранения электрического заряда: в замкнутой системе, в которую не входят извне электрические заряды и из которой не выходят заряды, при любых взаимодействиях тел алгебраическая сумма электрических зарядов всех тел остается постоянной:

q1 + q2 + ...+qn = const.

Никогда и нигде в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц -- электронов -- от одних тел к другим.

Электризация -- это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при трении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов. В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка -- положительный. Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика. Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном.

Закон Кулона: сила взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению величин этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль прямой соединяющей эти заряды:

F = k * q1q2/r2

где q1, q2-- модули зарядов, r -- расстояние между ними, k -- коэффициент пропорциональности. k = 9 * 109 Н * м2/Кл2.

Величина, показывающая во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде, называется диэлектрической проницаемостью среды е. Для среды с диэлектрической проницаемостью е закон Кулона записывается следующим образом:

F= k * q1q2/(е*r2)

Билет № 13

Конденсаторы. Электроемкость конденсатора. Энергия заряженного конденсатора. Применение конденсаторов

Для накопления значительных количеств разноименных электрических зарядов применяются конденсаторы. Конденсатор - это система состоящая из двух параллельных проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные диэлектриком, образуют плоский конденсатор. Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность между пластинами будет в 2 раза больше, чем напряженность одной пластины. Вне пластин напряженность равна нулю. Обозначаются конденсаторы на схемах так:

1. конденсатор постоянной емкости

2. конденсатор переменной емкости

Электроемкостью конденсатора называют величину, равную отношению величины заряда одной из пластин к напряжению между ними:

[Ф] (фарад)

1Ф - это электроемкость такого конденсатора, напряжение между обкладками которого равно 1 В при сообщении разноименных зарядов по 1 Кл.

- электроемкость плоского конденсатора,

где: - электрическая постоянная, =,

- диэлектрическая проницаемость среды,

- площадь обкладки конденсатора,

- расстояние между обкладками (толщина диэлектрика).

В зависимости от типа диэлектрика конденсаторы бывают:

- воздушные,

- бумажные,

- слюданные.

Зарядим конденсатор и затем подключим к его выводам электрическую лампочку. При подключении лампочки наблюдается кратковременная вспышка света. Из этого опыта следует, что заряженный конденсатор обладает энергией. Если на обкладках конденсатора емкостью находятся электрические заряды и , то согласно

В процессе разрядки конденсатора напряжение между его обкладками убывает прямо пропорционально заряду от первоначального значения до 0. Среднее значение напряжения в процессе разрядки равно: .

Для работы А, совершаемой электрическим полем при разрядке конденсатора будем иметь:

.

Следовательно, потенциальная энергия конденсатора равна:

.

Энергия конденсатора обусловлена тем, что электрическое поле между его обкладками обладает энергией. Напряженность поля пропорциональна напряжению, поэтому энергия электрического поля пропорциональна квадрату его напряжения.

Конденсаторы применяются для накопления электрической энергии и использования ее при быстром разряде (фотовспышка), для разделения цепей постоянного и переменного тока, в выпрямителях, колебательных контурах и других радиоэлектронных устройствах.

Билет № 14

Работа и мощность в цепи постоянного тока. ЭДС. Закон Ома для полной цепи

Электрический ток - упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля (за направление тока принято направление движения положительного заряда).

Работу сил электрического тока, создающего электрический ток называют работой тока. Из формулы

A - работа [Дж]

Мощность по определению

- мощность [Вт]

Ленц (русский ученый) и Джоуль (английский ученый) установили независимо друг от друга закон, который называется законом Джоуля - Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику:

- количество теплоты [Дж]

Полная замкнутая цепь представляет собой электрическую цепь, в состав которой входят внешние сопротивления и источник тока.

Для того чтобы ток проходил по замкнутой цепи, необходимо, чтобы в источнике тока зарядам сообщалась дополнительная энергия, она появляется за счет работы по перемещению зарядов, которую производят силы неэлектрического происхождения (сторонние силы) против сил электрического поля. Источник тока характеризуется энергетической характеристикой, которая называется ЭДС - отношение работы совершаемой сторонними силами по перемещению заряда вдоль цепи, к значению этого заряда:

- электродвижущая сила [В].

Пусть за время через поперечное сечение проводника пройдет электрический заряд . Тогда работу сторонних сил при перемещении заряда можно записать:

.

При совершении этой работы на внутреннем и внешнем участках цепи, сопротивления которых и , выделяется некоторое количество теплоты. По закону Джоуля - Ленца:

следовательно

Произведение силы тока и сопротивления участка цепи называют падением напряжения на этом участке. Закон Ома для полной цепи: сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи . [A]

Билет № 15

Магнитное поле. Действие магнитного поля на электрический заряд и опыты, подтверждающие это действие

Опыт Эрстеда:

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка поворачивается при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее (рис. 19). (Если изменить направление тока в проводнике, то перпендикулярно проводнику повернется противоположный конец магнитной стрелки). Таким образом Эрстед доказал, что электрический ток действует на магнитную стрелку.

Опыт Ампера:

В том же году французский физик Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение, если ток течет по ним в одну сторону, и отталкивание, если токи текут в разные стороны (рис. 20). Явление взаимодействия токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием.

Данные опыты доказывают, что подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, так в пространстве окружающем токи (и постоянные магниты) возникает поле, называемое магнитным полем.

Свойства магнитного поля:

1. создается только движущимися зарядами,

2. действует только на движущиеся заряды.

Магнитное поле является силовым полем. Силовой характеристикой магнитного поля называют магнитную индукцию (В). Магнитная индукция это векторная физическая величина, равная максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока.

.

Единичный элемент тока -- это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции является тесла: 1 Тл = 1 Н/А * м.

Магнитное поле является вихревым полем. Для графического изображения магнитных полей вводятся силовые линии, или линии индукции, -- это такие линии, в каждой точке которых вектор магнитной индукции направлен по касательной. Направление силовых линий находится по правилу буравчика: если буравчик ввинчивать по направлению тока, то направление вращения рукоятки совпадет с направлением силовых линий.

Линии магнитной индукции прямого провода с током представляют собой концентрические окружности, расположенные в плоскости, перпендикулярной проводнику (рис. 21).

Ампер установил, на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила. Сила, действующая со стороны, магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна силе тока, длине проводника в магнитном поле и перпендикулярной составляющей вектора магнитной индукции. Это и есть формулировка закона Ампера, который записывается так:



Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки: если левую руку расположить так, чтобы четыре пальца показывали направление тока в проводнике, перпендикулярная составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера (рис. 22).

Силу, действующую со стороны магнитного поля на движущуюся заряженную частицу называют силой Лоренца:

.

Направление силы Лоренца находится по правилу левой руки: ладонь левой руки расположить так, чтобы:

· вектор магнитной индукции входил в ладонь,

· направление скорости - по направлению четырех пальцев, тогда направление силы Лоренца для положительного заряда по направлению большого пальца, для отрицательного заряда - против направления.

Билет № 16

Полупроводники. Полупроводниковые приборы

Электрическим током называют направленное движение заряженных частиц. По тому как вещества проводят электрический ток различают проводники, полупроводники, диэлектрики.

Полупроводники -- это вещества с ковалентными связями, у которых электрическое сопротивление (число свободных зарядов) существенно зависит от температуры и освещения. К полупроводниковым материалам относятся: сурьма, кремний, германий, индий, сера.

При нагревании полупроводников их атомы ионизируются. Освободившиеся электроны не могут быть захвачены соседними атомами, так как все их валентные связи насыщены. Свободные электроны под действием внешнего электрического поля могут перемещаться в кристалле, создавая ток проводимости. Удаление электрона с внешней оболочки одного из атомов в кристаллической решетке приводит к образованию положительного иона. Этот ион может нейтрализоваться, захватив электрон. Далее, в результате переходов от атомов к положительным ионам происходит процесс хаотического перемещения в кристалле места с недостающим электроном. Внешне этот процесс хаотического перемещения воспринимается как перемещение положительного заряда, называемого «дыркой». При помещении кристалла в электрическое поле возникает упорядоченное движение «дырок» -- ток дырочной проводимости.

В идеальном кристалле ток создается равным количеством электронов и «дырок». Такой тип проводимости называют собственной проводимостью полупроводников. При повышении температуры (или освещенности) собственная проводимость проводников увеличивается.

На проводимость полупроводников большое влияние оказывают примеси. Примеси бывают до-норные и акцепторные. Донорная примесь -- это примесь с большей валентностью. При добавлении донорной примеси в полупроводнике образуются лишние электроны. Проводимость станет электронной, а полупроводник называют полупроводником n-типа.

Пример: для кремния с валентностью п = 4 донорной примесью является мышьяк с валентностью п = 5. Каждый атом примеси мышьяка приведет к образованию одного электрона проводимости.

Акцепторная примесь -- это примесь с меньшей валентностью. При добавлении такой примеси в полупроводнике образуется лишнее количество «дырок». Проводимость будет «дырочной», а полупроводник называют полупроводником p-типа.

Пример: для кремния акцепторной примесью является индий с валентностью n = 3. Каждый атом индия приведет к образованию лишней «дырки».

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на свойствах р-п перехода. При приведении в контакт двух полупроводниковых приборов р-типа и n-типа в месте контакта начинается диффузия электронов из n-области в p-область, а «дырок» -- наоборот, из р- в n-область. Этот процесс будет не бесконечный во времени, так как образуется запирающий слой, который будет препятствовать дальнейшей диффузии электронов и «дырок».

р-п контакт полупроводников, подобно вакуумному диоду, обладает односторонней проводимостью: если к р-области подключить «+» источника тока, а к n-области «-» источника тока, то запирающий слой разрушится и р-п контакт будет проводить ток, электроны из области n- пойдут в р-область, а «дырки» из p-области в n-область (рис. 23).