Что изучает физика. Эксперимент. Теория. Физические модели.

Физика – наука, занимающаяся изучением простейших и вместе с тем наиболее общих св-в окр. мира. Экспериментальная физика – способ изучения природы, заключающийся в изучении природных явлений в специально приготовленных условиях. Теоритическая физика – раздел физики, в котором в качестве основного способа изучения природы исп. создание теоретических моделей, явлений и сопоставление их с реальностью. Физическая модель – физ. представление системы, объекта или процесса с целью их исследования (представление с помощью другого физ. объекта, имеющего схожую динамику поведения). К физ. моделям относится широкий набор средств, например: 1. модель самолёта в аэродинамической трубе для исследования аэродинамических св-в самолёта 2. аналоговая вычислительная машина – физ. процессы. В физ. модели и объекте исследования имеют разную природу, за искл. случаев моделирования процессов в эл. приборах.

2. Механическое движение и его виды. Равномерное прямолинейное движение. Относительность движения. Скорость. Механическое движение – изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени. Виды: 1. прямолинейное и криволинейное (по форме траектории) 2. равномерное и неравномерное (по закону движения). Равномерное прямолинейное движение – движение, при котором материальная точка за любые равные промежутки времени совершает равные перемещения. Уравнение: x = x ₀ ± V ₀ t Относительность движения – зависимость определённой траектории движения какого-либо тела, опр. пути, скорости и перемещения от выбранных систем отсчёта. Скорость – векторная физ. величина, отражающая быстроту движения тела. . Скорость равномерного прямолинейного движения точки – величина, равная отношению перемещения точки к промежутку времени, в течение которого это перемещение произошло.

3. Ускорение. Равнопеременное прямолинейное движение. Движение материальной точки по окружности. Ускорение – величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, за которое это изменение произошло. ,  . Равнопеременное прямолинейное движение – движение, при котором скорость тела (материальной точки) за любые равные промежутки времени изменяется одинаково. Это движение может быть равноускоренным (a>0) и равнозамедленным (a<0). Материальная точка – тело, размерами которого можно пренебречь. Ускорение при равномерном движении точки по окружности направлено к её центру и численно равно  . При равномерном движении тела по окружности модуль скорости остаётся постоянным, а ускорение направлено по радиусу к центру окружности. Частота вращения –  .   . . T – период l – длина окружности.

4. Инерциальные системы отсчёта. Взаимодействие тел. Масса. В инерциальной системе отсчёта всякое свободное движение происходит с постоянной по величине и направлению скоростью. Инерциальные системы отсчёта – системы отсчёта, относительно которых тело при компенсации внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно или находится в покое. Действие одного тела на другое не может быть односторонним, оба тела действуют друг на друга, т.е. взаимодействуют. В результате взаимодействия оба тела могут изменить свою скорость. Инертная масса тела – величина, равная отношению модуля силы к модулю ускорения

5. Сила. Первый, второй и третий законы Ньютона. Сила – физическая величина, характеризующая действие на тело других тел, в результате чего у тела изменяется скорость или оно деформируется. Типы сил: 1. Гравитационные (притяжение) 2. Электромагнитные (притяжение и отталкивание)

Законы Ньютона:

1. Инерция. Всякое тело сохраняет состояние покоя равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока на него не действует сила или действие всех сил скомпенсированно. R – равнодействующая сила.

 

                                            

 

 

                                           

 

 

                                        

 

 

2. Динамика. Сила, действующая на тело равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение.  

3. Всякому действию всегда есть равное и противоположное противодействие.

6. Силы упругости. Закон Гука. Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Сила упругости – сила, возникающая при деформации тема и направленная в сторону восстановления его прежних форм и размеров перпендикулярно деформирующей поверхности. Особенности: 1. Возникает при деформации, 2. Они возникают одновременно у 2-х тел, участвующих в деформации, 3. Перпендикулярны деформирующей поверхности, 4. Противоположны по направлению к смещению частиц тела, 5. При упругих деформациях выполняется закон Гука. Закон Гука – при упругой деформации растяжения (или сжатия) модуль силы упругости прямо пропорционален абсолютному значению изменения длины тела. , K – жёсткость , . Силу упругости, возникающую при деформации опоры, называют силой реакции опоры и обозначают буквой N. Силу упругости, возникающую при деформации нити, называют силой натяжения нити и обозначают буквой Т. Гравитационные силы, или силы всемирного тяготения, действуют м/у всеми телами – все тела притягиваются. Закон всемирного тяготения: Сила взаимного притяжения 2-х тел прямо пропорциональна произведению масс этих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния м/у ними. . G – гравитационная постоянная, R – расстояние. Сила тяжести – сила, с которой Земля притягивает к себе тело. , g – ускорение свободного падения (10 )

7. Движение тел под действием силы тяжести по вертикали. Движение тела, брошенного под углом к горизонту и брошенного горизонтально с некоторой высоты. Движение тела, брошенного горизонтально — это сложное движение по криволинейной траектории, которое можно представить, как сумму двух независимых друг от друга движений — равномерного прямолинейного движения по горизонтали и свободного падения по вертикали. С высоты: ; ;

Под углом: ;  

;

8. Вес тела, движущегося с ускорением. Силы трения. Движение тела под воздействием силы трения. Движение искусственных спутников и планет. Вес тела – это сила, с которой тело действует на горизонтальную опору, либо растягивает вертикальный подвес.

1. ; Если тело неподвижно

2.

y

; Если т ело движется прямолинейно с ускорением, направленным вниз:

 

3. ; Если тело движется прямолинейно с ускорением, направленным вверх:

 

 

4. ; Если тело движется по окружности с ускорением:

 

Сила трения – это сила, возникающая при движении или попытке движения одного тела по поверхности другого и направленная вдоль соприкасающихся поверхностей и взаимные притяжения молекул этих поверхностей.

Сила трения покоя – сила, которая появляется м/у соприкасающимися поверхностями тел, неподвижных относительно друг друга.

Сила трения качения – сила, которая возникает, когда одно тело катится по поверхности другого.

Сила трения скольжения – сила, которая зависит от скорости и всегда направлена против относительной скорости перемещения тела.

 – коэф. трения (безразмерная величина)

Минимальную скорость, при которой тело, движущиеся горизонтально над поверхностью планеты, не упадёт на неё, а будет двигаться по круговой орбите, называют первой космической.

9. Импульс тела. Закон сохранения импульса. Реактивное движение. Импульс – изменение кол-ва движения пропорционально движущей силы и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. Закон сохранения импульса – геометрическая сумма импульсов тел, составляющая замкнутую систему, остаётся постоянной при любых движениях и взаимодействиях тел этой системы. Реактивное движение – движение, которое возникает при отделении о тела некоторой его части с определённой скоростью. Реактивные двигатели делятся на 2 типа: ракетные и воздушно-реактивные.

Импульс:

 ;

ЗСИ:

10. Работа силы. Мощность. КПД. Работа – физическая величина, численно равная произведению силы, действующей на тело, на перемещение, которое совершает тело под действием этой силы, и на косинус угла м-у направлением силы и направлением движения тела (измеряется в Джоулях (1Дж= 1Н*м))

Мощность – работа силы, совершаемая за единицу времени. (1Вт= 1Дж/с) ;

КПД – отношение полезной работы ко всей затраченной работе.

, где А_п – полезная работа, А_з – затраченная (совершённая работа)

11. Механическая энергия. Кинетическая и потенциальная энергии. Закон сохранения энергии. Механическая энергия – сумма кинетической и потенциальной энергий.

;

Кинетическая энергия – энергия, которой обладает движущийся предмет. Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат скорости.

Теорема о кинетической энергии – работа приложенной к телу равнодействующей силы равно изменению его кинетической энергии.

Потенциальная энергия – энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела.

 – потенциальная энергия, поднятого над землёй.

 – потенциальная энергия деформированного тела, где k – жёсткость пружины, x – сжатие (растяжение) пружины.

−  – механическая работа равно изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.

: Полная механическая энергия замкнутой системы тел остается неизменной.

12. Агрегатные состояния вещества. Основные положения МКТ. Масса и размеры молекул. Количество вещества. Агрегатные состояния вещ-ва: твёрдое, жидкое, газообразное, плазма.

Основные положения МКТ: 1. Все вещ-ва состоят из молекул. 2. Молекулы движутся хаотично. 3. Молекулы взаимодействуют м/у собой.

Относительная молекулярная (атомная) масса вещ-ва – отношение массы молекулы данного вещ-ва к 1/12 массы атома углерода. ;

Кол-во вещ-ва – величина, характеризующая кол-во молекул (атомов), содержащихся в веществе  – моль.

Моль – кол-во вещ-ва, в котором содержится столько же молекул (атомов), сколько содержится атомов в 12 гр. Углерода. В одном моль любого вещ-ва содержится одинаковое кол-во молекул. Это «Постоянная Авогадро» .

Молярная масса – масса данного вещ-ва, взятого в кол-ве 1 моль:

Масса всех молекул на массу 1 молекулы:

13. Идеальный газ в МКТ. Основное уравнение МКТ идеального газа. Идеальный газ – одноатомный, разрежённый газ, взаимодействие м/у молекулами которого пренебрежительно мало. , где p – давление газа на стенку сосуда ; m₀ – масса 1 молекулы,  – концентрация газа, v² – ср. квадрат скорости молекулы.

 – средняя кинетическая энергия движения.

 – давление идеального газа.

При решении задач реальный газ можно заменить идеальным газом, если он одноатомный и можно пренебречь взаимодействием молекул.

Св-ва идеального газа:

I. Размеры молекул малы по сравнению с расстоянием м/у ними.

II. Молекулы взаимодействуют друг с другом и со стенками сосуда только в момент соударения

III. Все соударения абсолютно упруги

IV. Просматриваются любые газы, в которых число молекул очень велико.

V. Молекулы распределены по всему объёму равномерно.

VI. Молекулы движутся хаотично.

VII. Скорости молекул могут принимать любые значения.

VIII. К движению отдельной молекулы применимы законы классической механики.

14. Температура. Зависимость давления от температуры. Абсолютная температура. Температура – мера средней кинетической энергии молекул.

Абсолютная температура – предельная температура, при которой давление идеального газа обращается в нуль при фиксированном объёме или объём идеального газа стремится к нулю при неизменимом давлении. , где t ­– температура в градусах Цельсия. Абсолютная температура не может быть отрицательной.

Закон Шарля: давление некоторой массы газа при нагревании на 1℃ при неизменимом объёме увеличивается на  часть давления, которое эта масса имела при 0℃. В равных объёмах газов при одинаковых температурах и давлениях содержится одинаковое кол-во молекул.

Абсолютный нуль (нуль Кельвина) – температура, при которой должно прекратиться поступательное движение молекул. Температуры ниже абсолютного нулю не существует. Это предельная температура, при которой давление идеального газа равно 0. В системе СИ принято единицу измерения температуры по шкале Кельвина называть Кельвином (К).

 

k – постоянная Больцмана,  

15. Уравнение состояния идеального газа (уравнение Менделеева-Клапейрона). Газовые законы.  – уравнение Менделеева-Клапейрона. R – универсальная газовая постоянная. , R=8.31 Дж/Моль. ;

Газовые законы (изопроцесс) – это процесс, протекающий при неизменном значении одного из параметров (их 3):

1. Закон Бойля-Мариотта (изотермический процесс)

T

V

0

0

0

P

T

V

P

T=const, PV=const, P₁V₁=P₂V₂, ;

 

2. Закон Гей-Люссака (изобарный процесс)

P

P

T

T

V

V

0

0

0

P=const, ; 

 

 

3. Закон Шарля (изохорный процесс)

T

T

P

P

V

V

V=const, ;  

 

16. Испарение и конденсация. Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Испарение – парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Скорость испарения зависит от: площади поверхности жидкости, температуры, рода вещества и движения молекул над поверхностью жидкости или газа.  Конденсация – процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.

Насыщенный пар – вещ-во в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью.

Ненасыщенный пар – пар, находящийся при давлении ниже насыщенного.

Точка росы – температура, 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.

Абсолютная влажность или упругость водяного пара – давление водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре. (кг/м³)

Влажность воздуха – характеристика насыщенности атмосферы водяными парами.

Относительная влажность – отношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах.  

Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами.

17. Внутренняя энергия. Работа в термодинамике. Кол-во теплоты. Уравнение теплового баланса. Внутренняя энергия – сумма потенциальной энергии взаимодействия частиц, составляющих тепло, и кинетической энергии их беспорядочного теплового движения. При любых процессах в изолированной термодинамической системе внутренняя энергия остаётся неизменной. U=const.; ; . Изменить скорость движения молекул и внутреннюю энергию можно 2-мя способами:                   1. Совершение механической работы, 2. Теплопередачей. Для идеального газа потенциальной энергией молекул пренебрегают. Внутренняя энергия идеального газа равно сумме кинетических энергий хаотического теплового движения всех молекул.

 U – внутренняя энергия идеального одноатомного газа, m – масса тела,      µ – молярная масса газа, T – абсолютная температура, R – универсальная газовая постоянная (R=8.31 Дж/К). Единица измерения внутренней энергии – Дж.

Изменение внутренней массы газа происходит только при изменении его температуры. Внутренняя энергия макроскопических тел в общем случает зависит от температуры и объёма тела:

Газ, находящийся в цилиндре под поршнем, увеличивая свой объём, перемещает поршень и совершает работу:  ΔV=V₂-V₁ – изменение объёма, P – давление газа (P=const), A’ – работа газа. При расширении газ совершает положительную работу и передаёт энергию окр. телам. А’>0. Работа, совершаемая внешними силами, то есть работа над газом: A=–A’ или A’=–P*ΔV. При сжатии газ получает энергию от окр. тел и его работа отрицательна: A=–PΔV. Работа внешней силы в этом случает положительна, внешняя сила передаёт газу энергию A=–A’=PΔV.

Единица измерения работы: 1Па * м³= 1(Н/м²)*м³=1Н*м=1Дж

Кол-во теплоты – это количественная мера изменения внутренней энергии при теплообмене. Q=ΔU+A’

При смешивании горячей и холодной воды, количество теплоты Q₁, отданное горячей водой, равно количеству теплоты Q₂, полученному холодной водой, т.е.: |Q₁|= |Q₂|.

Q₁ (выделенное) <0, Q ₂ (полученное)> 0. Q₁ + Q₂ = 0. В теплообмене могут участвовать не два тела, а три и более: Q₁ + Q₂ + Q₃ + … = 0

 

18. Первый закон термодинамики. Процессы в газах в рамках первого закона термодинамики. Второй закон термодинамики. Энергия в природе не возникает из ничего и не исчезает бесследно: кол-во энергии только переходит из одной формы в другую. Внутреннюю энергию можно изменить, совершая работу или не совершая её (передача тепла). Изменение Δ U внутренней энергии неизолированной термодинамической системы равно разности между количеством теплоты Q, переданной системе, и работой A, совершенной системой над внешними телами. ΔU = Q – A, Q = ΔU + A.

1.  В изохорном процессе (V = const) газ работы не совершает, A = 0. Следовательно, Q = Δ U = U (T ₂) – U (T ₁).

Здесь U (T ₁) и U (T ₂) – внутренние энергии газа в начальном и конечном состояниях. Внутренняя энергия идеального газа зависит только от температуры (закон Джоуля). При изохорном нагревании тепло поглощается газом (Q > 0), и его внутренняя энергия увеличивается. При охлаждении тепло отдается внешним телам (Q < 0).

2. В изобарном процессе (p = const) работа, совершаемая газом, выражается соотношением: A = p (V₂ – V₁) = p ΔV. Первый закон термодинамики для изобарного процесса дает: Q = U (T₂) – U (T₁) + p (V₂ – V₁) = ΔU + p ΔV. При изобарном расширении Q > 0 – тепло поглощается газом, и газ совершает положительную работу. При изобарном сжатии Q < 0 – тепло отдается внешним телам. В этом случае A < 0. Температура газа при изобарном сжатии уменьшается, T ₂ < T ₁; внутренняя энергия убывает, Δ U < 0.

3. В изотермическом процессе температура газа не изменяется, следовательно, не изменяется и внутренняя энергия газа, Δ U = 0. Первый закон термодинамики для изотермического процесса выражается соотношением: Q=A. Количество теплоты Q, полученной газом в процессе изотермического расширения, превращается в работу над внешними телами. При изотермическом сжатии работа внешних сил, произведенная над газом, превращается в тепло, которое передается окружающим телам.

Второй закон термодинамики имеет несколько формулировок. Формулировка Клаузиуса: невозможен процесс перехода теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой.

Формулировка Томсона: невозможен процесс, результатом которого было бы совершение работы за счет теплоты, взятой от одного какого-то тела. Эта формулировка накладывает ограничение на превращение внутренней энергии в механическую.

Формулировка Больцмана: Энтропия — это показатель неупорядоченности системы. Чем выше энтропия, тем хаотичнее движение материальных частиц, составляющих систему. Энтропия не может уменьшаться в замкнутых системах — то есть, в системах, не получающих внешней энергетической подпитки.

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: