Краткое и главное о физике. Законы сохранения в механике. При равномерном движении

Механика

Формулы кинематики:

Кинематика

Механическое движение

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

Относительность движения. Система отсчета

Чтобы описать механическое движение тела (точки), нужно знать его координаты в любой момент времени. Для определения координат следует выбрать -тело отсчета и связать с ним систему координат . Часто телом отсчета служит Земля, с которой связывается прямоугольная декартова система координат. Для определения положения точки в любой момент времени необходимо также задать начало отсчета времени.

Система координат, тело отсчета, с которым она связана, и прибор для измерения времени образуют систему отсчета , относительно которой рассматривается движение тела.

Материальная точка

Тело, размерами которого в данных условиях движения можно пренебречь, называют материальной точкой .

Тело можно рассматривать как материальную точку, если его размеры малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит, или по сравнению с расстояниями от него до других тел.

Траектория, путь, перемещение

Траекторией движения называется линия, вдоль которой движется тело. Длина траектории называется пройденным путем . Путь – скалярная физическая величина, может быть только положительным.

Перемещением называется вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории.

Движение тела, при котором все его точки в данный момент времени движутся одинаково, называется поступательным движением . Для описания поступательного движения тела достаточно выбрать одну точку и описать ее движение.

Движение, при котором траектории всех точек тела являются окружностями с центрами на одной прямой и все плоскости окружностей перпендикулярны этой прямой, называется вращательным движением.

Метр и секунда

Чтобы определить координаты тела, необходимо уметь измерять расстояние на прямой между двумя точками. Любой процесс измерения физической величины заключается в сравнении измеряемой величины с единицей измерения этой величины.

Единицей измерения длины в Международной системе единиц (СИ) является метр . Метр равен примерно 1/40 000 000 части земного меридиана. По современному представлению метр – это расстояние, которое свет проходит в пустоте за 1/299 792 458 долю секунды.

Для измерения времени выбирается какой-нибудь периодически повторяющийся процесс. Единицей измерения времени в СИ принята секунда . Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения атома цезия при переходе между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния.

В СИ длина и время приняты за независимые от других величины. Подобные величины называются основными .

Мгновенная скорость

Для количественной характеристики процесса движения тела вводится понятие скорости движения.

Мгновенной скоростью поступательного движения тела в момент времени t называется отношение очень малого перемещения s к малому промежутку времени t, за который произошло это перемещение:

;
.

Мгновенная скорость – векторная величина. Мгновенная скорость перемещения всегда направлена по касательной к траектории в сторону движения тела.

Единицей скорости является 1 м/с. Метр в секунду равен скорости прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой точка за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.

Ускорение

Ускорением называется векторная физическая величина, равная отношению очень малого изменения вектора скорости к малому промежутку времени, за которое произошло это изменение, т.е. это мера быстроты изменения скорости:

;
.

Метр в секунду за секунду – это такое ускорение, при котором скорость тела, движущегося прямолинейно и равноускоренно, за время 1 с изменяется на 1 м/с.

Направление вектора ускорения совпадает с направлением вектора изменения скорости (
) при очень малых значениях промежутка времени, за который происходит изменение скорости.

Если тело движется по прямой и его скорость возрастает, то направл-ение вектора ускорения совпадает с направлением вектора скорости; при убывании скорости – противоположно направлению вектора скорости.

При движении по криволинейной траектории направление вектора скорости изменяется в процессе движения, вектор ускорения при этом может оказаться направлен под любым углом к вектору скорости.

Равномерное, равноускоренное прямолинейное движение

Движение с постоянной скоростью называется равномерным прямолинейным движением . При равномерном прямолинейном движении тело движется по прямой и за любые равные промежутки времени проходит одинаковые пути.

Движение, при котором тело за равные промежутки времени совершает неодинаковые перемещения, называют неравномерным движением . При таком движении скорость тела изменяется с течением времени.

Равнопеременным называется такое движение, при котором скорость тела за любые равные промежутки времени изменяется на одинаковую величину, т.е. движение с постоянным ускорением.

Равноускоренным называется равнопеременное движение, при котором величина скорости возрастает. Равнозамедленным – равнопеременное движение, при котором величина скорости уменьшается.

Сложение скоростей

Рассмотрим перемещение тела в подвижной системе координат. Пусть – перемещение тела в подвижной системе координат, – перемещение подвижной системы координат относительно неподвижной, тогда – перемещение тела в неподвижной системе координат равно:

.

Если перемещения и совершаются одновременно, то:

.

Таким образом

.

Мы получили, что скорость тела относительно неподвижной системы отсчета равна сумме скорости тела в подвижной системе отсчета и скорости подвижной системы отсчета относительно неподвижной. Это утверждение называется классическим законом сложения скоростей .

Графики зависимости кинематических величин от времени
в равномерном и равноускоренном движении

При равномерном движении:

График скорости – прямая y = b;

График ускорения – прямая y = 0;

График перемещения – прямая y = kx+b.

При равноускоренном движении:

График скорости – прямая y = kx+b;

График ускорения – прямая y = b;

График перемещения – парабола:

• если a>0, ветви вверх;

  чем больше ускорение, тем уже ветви;

  вершина совпадает по времени с моментом, когда скорость тела равна нулю;

  как правило, проходит через начало отсчета.

Свободное падение тел. Ускорение свободного падения

Свободным падением называется такое движение тела, когда на него действует только сила тяжести.

При свободном падении ускорение тела направлено вертикально вниз и примерно равно 9,8 м/с 2 . Это ускорение называется ускорением свободного падения и одинаково для всех тел.

Равномерное движение по окружности

При равномерном движении по окружности значение скорости постоянно, а ее направление изменяется в процессе движения. Мгновенная скорость тела всегда направлена по касательной к траектории движения.

Т.к. направление скорости при равномерном движении по окружности постоянно изменяется, то это движение всегда равноускоренное.

Промежуток времени, за который тело совершает полный оборот при движении по окружности, называется периодом:

.

Т.к. длина окружности s равна 2R, период обращения при равномерном движении тела со скоростью v по окружности радиусом R равен:

.

Величина, обратная периоду обращения, называется частотой обращения и показывает, сколько оборотов по окружности совершает тело в единицу времени:

.

Угловой скоростью называется отношение угла, на который повернулось тело, к времени поворота:

.

Угловая скорость численно равна числу оборотов за 2 секунд.

Ускорение при равномерном движении тел по окружности (центростремительное ускорение)

При равномерном движении по окружности тело движется с центростремительным ускорением. Определим это ускорение.

Ускорение направлено туда же, куда и изменение скорости, следовательно, ускорение направлено к центру окружности. Важное допущение: угол  настолько мал, что длина хорды AB совпадает с длиной дуги:

по двум пропорциональным сторонам и углу между ними. Следовательно:

– модуль центростремительного ускорения.

Основы динамики

Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета.
Принцип относительности Галилея

Любое тело остается неподвижным, пока на него не действуют другие тела. Тело, двигавшееся с некоторой скоростью, продолжает двигаться равномерно и прямолинейно до тех пор, пока не него не подействуют другие тела. К таким выводам о законах движения тел впервые пришел итальянский ученый Галилео Галилей.

Явление сохранения скорости движения тела при отсутствии внешних воздействий называется инерцией .

Всякий покой и движение тел относительны. Одно и то же тело может находиться в состоянии покоя в одной системе отсчета и двигаться с ускорением в другой. Но существуют такие системы отсчета, относительно которых поступательно движущиеся тела сохраняют свою скорость постоянной, если на них не действуют другие тела . Это утверждение называется первым законом Ньютона (законом инерции).

Системы отсчета, относительно которых тело при отсутствии внешних воздействий движется прямолинейно и равномерно, называют инерциальными системами отсчета .

Инерциальных систем отсчета может быть сколь угодно много, т.е. любая система отсчета, которая движется равномерно и прямолинейно по отношению к инерциальной, также является инерциальной. Истинных (абсолютных) инерциальных систем отсчета нет.

Масса

Причиной изменения скорости движения тел всегда является его взаимодействие с другими телами.

При взаимодействии двух тел всегда изменяются скорости и первого, и второго тела, т.е. оба тела приобретают ускорения. Ускорения двух взаимодействующих тел могут быть различными, они зависят от инертности тел.

Инертность – способность тела сохранять свое состояние движения (покоя). Чем больше инертность тела, тем меньшее ускорение оно приобретет при взаимодействии с другими телами, и тем будет ближе его движение к равномерному прямолинейному движению по инерции.

Масса – физическая величина, характеризующая инертность тела. Чем большей массой обладает тело, тем меньшее ускорение оно получает при взаимодействии.

За единицу массы в СИ принят килограмм: [m]=1 кг.

Сила

В инерциальных системах отсчета любое изменение скорости тела происходит под действием других тел. Сила – это количественное выражение действия одного тела на другое.

Сила – векторная физическая величина, за ее направление принимают направление ускорения тела, которое вызывается этой силой. У силы всегда есть точка приложения.

В СИ за единицу силы принимаются сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с 2 . Эта единица называется Ньютоном:

.

Второй закон Ньютона

Сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на сообщаемое этой силой ускорение :

.

Таким образом, ускорение тела прямо пропорционально действующей на тело силе и обратно пропорционально его массе:

.

Сложение сил

При одновременном действии на одно тело нескольких сил тело движется с ускорением, являющимся векторной суммой ускорений, которые бы возникли под действием каждой силы в отдельности. Действующие на тело силы, приложенные к одной точке, складываются по правилу сложения векторов.

Векторная сумма всех сил, одновременно действующих на тело, называется равнодействующей силой .

Прямая, проходящая через вектор силы, называется линией действия силы. Если силы приложены к разным точкам тела и действуют не параллельно друг другу, то равнодействующая приложена к точке пересечения линий действия сил. Если силы действуют параллельно друг другу, то точки приложения результирующей силы нет, а линия ее действия определяется формулой:
(см. рисунок).

Момент силы. Условие равновесия рычага

Основным признаком взаимодействия тел в динамике является возникновение ускорений. Однако часто бывает нужно знать, при каких условиях тело, на которое действует несколько различных сил, находится в состоянии равновесия.

Существует два вида механического движения – поступательное движение и вращение .

Если траектории движения всех точек тела одинаковы, то движение поступательное . Если траектории всех точек тела – дуги концентрических окружностей (окружностей с одним центром – точкой вращения), то движение вращательное.

Равновесие невращающихся тел : невращающееся тело находится в равновесии, если геометрическая сумма сил, приложенных к телу, равна нулю.

Равновесие тела, имеющего неподвижную ось вращения

Если линия действия силы, приложенной к телу, проходит через ось вращения тела, то эта сила уравновешивается силой упругости со стороны оси вращения.

Если линия действия силы не пересекает ось вращения, то эта сила не может быть уравновешена силой упругости со стороны оси вращения, и тело поворачивается вокруг оси.

Вращение тела вокруг оси под действием одной силы может быть остановлено действием второй силы. Опыт показывает, что если две силы по отдельности вызывают вращение тела в противоположных направлениях, то при их одновременном действии тело находится в равновесии, если выполняется условие:

,
где d 1 и d 2 – кратчайшие расстояния от линий действия сил F 1 и F 2. Расстояние d называется плечом силы , а произведение модуля силы на плечо – моментом силы :

.

Если моментам сил, вызывающим вращение тела вокруг оси по часовой стрелке, приписать положительный знак, а моментам сил, вызывающим вращение против часовой стрелки, – отрицательный знак, то условие равновесия тела, имеющего ось вращения, можно сформулировать в виде правила моментов: тело, имеющее неподвижную ось вращения, находится в равновесии, если алгебраическая сумма моментов всех приложенных к телу сил относительно этой оси равна нулю:

За единицу вращающего момента в СИ принимается момент силы в 1 Н, линия действия которой находится на расстоянии 1 м от оси вращения. Эту единицу называют ньютон-метром .

Общее условие равновесия тела : тело находится в равновесии, если равны нулю геометрическая сумма всех приложенных к нему сил и алгебраическая сумма моментов этих сил относительно оси вращения .

При выполнении этого условия тело необязательно находится в покое. Оно может двигаться равномерно и прямолинейно или вращаться.

Виды равновесия

Равновесие называют устойчивым , если после небольших внешних воздействий тело возвращается в исходное состояние равновесия. Это происходит, если при небольшом смещении тела в любом направлении от первоначального положения равнодействующая сил, действующих на тело, становится отличной от нуля и направлена к положению равновесия.

Равновесие называется неустойчивым , если при небольшом смещении тела из положения равновесия равнодействующая приложенных к нему сил отлична от нуля и направлена от положения равновесия.

Равновесия называется безразличным , если при небольших смещениях тела из первоначального положения равнодействующая приложенных к телу сил остается равной нулю.

Центр тяжести

Центром тяжести называется точка, через которую проходит равнодействующая сил тяжести при любом расположении тела.

Третий закон Ньютона

Тела действуют друг на друга с силами, вдоль одной прямой, равными по модулю и противоположными по направлению. Эти силы имеют одинаковую физическую природу; они приложены к разным телам и поэтому друг друга не компенсируют.

Сила упругости. Закон Гука

Сила упругости возникает в результате деформации тела и направлена в сторону, противоположную деформации.

При малых по сравнению с размерами тел деформациях сила упругости прямо пропорциональна величине абсолютной деформации тела. В проекции на направление деформирования сила упругости равна

,
где x – абсолютная деформация, k – коэффициент жесткости.

Этот закон был установлен экспериментально английским ученым Робертом Гуком и называется законом Гука:

Сила упругости, возникающая при деформации тела, пропорциональна удлинению тела и направлена в сторону, противоположную направлению перемещений частиц тела при деформации.

Коэффициент пропорциональности в законе Гука называется жесткостью тела. Он зависит от формы и размеров тела и от материала, из которого оно изготовлено (уменьшается с увеличением длины и с уменьшением площади поперечного сечения – см. Молекулярную Физику).

В Си жесткость выражается в ньютонах на метр :
.

Упругая сила стремится восстановить форму тела, подвергнутого деформации, и приложена к телу, которое эту деформацию вызывает.

Природа силы упругости электромагнитная, т.к. сила упругости возникает в результате стремления электромагнитных сил, действующих между атомами вещества, вернуть атомы вещества в исходное положение при изменении их взаимного положения в результате деформации.

Упругая реакция опоры, нити, подвеса – пассивная сила, действующая всегда перпендикулярно поверхности опоры.

Сила трения. Коэффициент трения скольжения

Сила трения возникает при соприкосновении поверхностей двух тел и всегда препятствует их взаимному перемещению.

Сила, возникающая на границе соприкосновения тел при отсутствии относительного движения называется силой трения покоя . Сила трения покоя – упругая сила, она равна по модуля внешней силе, направленной по касательной к поверхности соприкосновения тел, и противоположна ей по направлению.

При движении одного тела по поверхности другого возникает сила трения скольжения .

Сила трения имеет электромагнитную природу, т.к. возникает благодаря существованию сил взаимодействия между молекулами и атомами соприкасающихся тел – электромагнитных сил.

Сила трения скольжения прямо пропорциональна силе нормального давления (или упругой реакции опоры) и не зависит от площади поверхности соприкосновения тел {закон Кулона}:

, где  – коэффициент трения.

Коэффициент трения зависит от рельефа поверхности и всегда меньше единицы: «сдвинуть легче, чем оторвать».

Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения.
Сила тяжести

Согласно законам Ньютона, движение тела с ускорением возможно только под действием силы. Т.к. падающие тела движутся с ускорением, направленным вниз, то на них действует сила притяжения к Земле. Но не только Земля обладает свойством действовать на все тела силой притяжения. Исаак Ньютон предположил, что между всеми телами действуют силы притяжения. Эти силы называются силами всемирного тяготения или гравитационными силами.

Распространив установленные закономерности – зависимость силы притяжения тел к Земле от расстояний между телами и от масс взаимодействующих тел, полученные в результате наблюдений,– Ньютон открыл в 1682 г. закон всемирного тяготения : Все тела притягиваются друг к другу, сила всемирного тяготения прямо пропорциональна произведению масс тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

.

Векторы сил всемирного тяготения направлены вдоль прямой, соединяющей тела. Коэффициент пропорциональности G называется гравитационной постоянной (постоянной всемирного тяготения) и равна

.

Силой тяжести называется сила притяжения, действующая со стороны Земли на все тела:

.

Пусть
– масса Земли, а
– радиус Земли. Рассмотрим зависимость ускорения свободного падения от высоты подъема над поверхностью Земли:

Вес тела. Невесомость

Вес тела – сила, с которой тело давит на опору или подвес вследствие притяжения этого тела к земле. Вес тела приложен к опоре (подвесу). Величина веса тела зависит от того, как движется тело с опорой (подвесом).

Вес тела, т.е. сила, с которой тело действует на опору, и сила упругости, с которой опора действует на тело, в соответствие с третьим законом Ньютона равны по абсолютному значению и противоположны по направлению.

Если тело находится в покое на горизонтальной опоре или равномерно движется, на него действуют только сила тяжести и сила упругости со стороны опоры, следовательно вес тела равен силе тяжести (но эти силы приложены к разным телам):

.

При ускоренном движении вес тела не будет равен силе тяжести. Рассмотрим движение тела массой m под действием сил тяжести и упругости с ускорением. По 2-му закону Ньютона:

Если ускорение тела направлено вниз, то вес тела меньше силы тяжести; если ускорение тела направлено вверх, то все тела больше силы тяжести.

Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегрузкой .

Если тело свободно падает, то из формулы * следует, что вес тела равен нулю. Исчезновение веса при движении опоры с ускорением свободного падения называется невесомостью .

Состояние невесомости наблюдается в самолете или космическом корабле при движении их с ускорением свободного падения независимо от скорости их движения. За пределами земной атмосферы при выключении реактивных двигателей на космический корабль действует только сила всемирного тяготения. Под действием этой силы космический корабль и все тела, находящиеся в нем, движутся с одинаковым ускорением; поэтому в корабле наблюдается явление невесомости.

Движение тела под действием сил тяжести. Движение искусственных спутников. Первая космическая скорость

Если модуль перемещения тела много меньше расстояния до центра Земли, то можно считать силу всемирного тяготения во время движения постоянной, а движение тела равноускоренным. Самый простой случай движения тела под действием силы тяжести – свободное падение с нулевой начальной скоростью. В этом случае тело движется с ускорением свободного падения к центру Земли. Если есть начальная скорость, направленная не по вертикали, то тело движется по криволинейной траектории (параболе, если не учитывать сопротивление воздуха).

При некоторой начальной скорости тело, брошенное по касательной к поверхности Земли, под действием силы тяжести при отсутствии атмосферы может двигаться по окружности вокруг Земли, не падая на нее и не удаляясь от нее. Такая скорость называется первой космической скоростью , а тело, движущееся таким образом – искусственным спутником Земли (ИСЗ) .

Определим первую космическую скорость для Земли. Если тело под действием силы тяжести движется вокруг Земли равномерно по окружности, то ускорение свободного падения является его центростремительным ускорением:

.

Отсюда первая космическая скорость равна

.

Первая космическая скорость для любого небесного тела определяется таким же образом. Ускорение свободного падения на расстоянии R от центра небесного тела можно найти, воспользовавшись вторым законом Ньютона и законом всемирного тяготения:

.

Следовательно, первая космическая скорость на расстоянии R от центра небесного тела массой M равна

.

Для запуска на околоземную орбиту ИСЗ необходимо сначала вывести за пределы атмосферы. Поэтому космические корабли стартуют вертикально. На высоте 200 – 300 км от поверхности Земли, где атмосфера разрежена и почти не влияет на движение ИСЗ, ракета делает поворот и сообщает ИСЗ первую космическую скорость в направлении, перпендикулярном вертикали.

Законы сохранения в механике

Импульс тела

По 2-му закону Ньютона изменение скорости тела возможно только в результате его взаимодействия с другими телами, т.е. при действии силы. Пусть на тело массой m в течение времени t действует сила F и скорость его движения изменяется от v o до v. Тогда на основании 2-го закона Ньютона:

.

Величина
называется импульсом силы . Импульс силы – это векторная физическая величина, равная произведению силы на время ее действия. Направление импульса силы совпадает с направлением силы.

.

– импульс тела (количество движения) – векторная физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость. Направление импульса тела совпадает с направлением скорости.

Импульс силы, действующей на тело, равен изменению импульса тела.

Закон сохранения импульса

Выясним, как изменяются импульсы двух тел при их взаимодействии. Обозначим скорости тел массами m 1 и m 2 до взаимодействия через и , а после взаимодействия – через и .

По 3-му закону Ньютона силы, действующие на тела при их взаимодействии, равны по модулю и противоположны по направлению; поэтому из можно обозначить F и –F. Тогда:

Таким образом, векторная сумма импульсов двух тел до взаимодействия равна векторной сумме их импульсов после взаимодействия.

Эксперименты показывают, что в любой системе взаимодействующих между собой тел при отсутствии действия сил со стороны других тел, не входящих в систему, – в замкнутой системе – геометрическая сумма импульсов тел остается постоянной. Импульс замкнутой системы тел есть величина постоянная – закон сохранения импульса (з.с.и.).

Реактивное движение

В реактивном двигателе при сгорании топлива образуются газы, нагретые до высокой температуры, которые выбрасываются из сопла двигателя. Двигатель и выбрасываемые им газы взаимодействуют между собой. На основании з.с.и. при отсутствии внешних сил сумма векторов импульсов взаимодействующих тел остается постоянной. До начала работы двигателя импульс двигателя и горючего был равен нулю, следовательно, после включения двигателя сумма векторов импульса ракеты и импульса истекающих газов равна нулю:

.

Эта формула применима для вычисления скорости двигателя при условии небольшого изменения его массы в результате сгорания топлива.

Реактивный двигатель обладает замечательным свойством: для движения ему не нужны ни земля, ни вода, ни воздух, т.к. он двигается в результате взаимодействия с газами, образующимися при сгорании топлива. Поэтому реактивный двигатель может двигаться в безвоздушном космическом пространстве.

Механическая работа

Механическая работа – это скалярная физическая величина, равная произведению модуля силы на модуль перемещения точки приложения силы и на косинус угла между направлением действия силы и направления перемещения (скалярное произведение векторов силы и точки ее перемещения):

.

Работа измеряется в Джоулях. 1 Джоуль – работа, которую совершает сила 1 Н при перемещении точки ее приложения на 1 м в направлении действия силы:

.

Работа может быть положительной, отрицательной, равной нулю:

 = 0  A = FS > 0;

0 <  < 90  A > 0;

 = 90  A = 0;

90 <  < 180 A < 0;

 = 180  A = –FS < 0.

Сила, действующая перпендикулярно перемещению, работы не совершает.

Мощность

Мощность – это работа, совершаемая в единицу времени:

– средняя мощность.

. 1 Ватт – это мощность, при которой совершается работа 1 Дж за 1 с.

Мгновенная мощность:

.

Кинетическая энергия

Установим связь между работой постоянной силы и изменением скорости тела. Рассмотрим случай, когда на тело действует постоянная сила и направление действия силы совпадает с направлением перемещения тела:

. *

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на его скорость называется кинетической энергией тела:

.

Тогда из формулы *:
– теорема о кинетической энергии: Изменение кинетической энергии тела равно работе всех сил, действующих на тело .

Кинетическая энергия всегда положительна, т.е. зависит от выбора системы отсчета.

Вывод: в физике абсолютное значение энергии вообще, и кинетической энергии в частности, смысла не имеет. Речь может идти только о разнице энергий или об изменении энергии.

Энергия – способность тела совершать работу. Работа – мера изменения энергии.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия – это энергия взаимодействия тел, зависит от взаимного их расположения.

Работа силы тяжести (потенциальная энергия тела в поле силы тяжести)

Если тело перемещается вверх, работа силы тяжести отрицательна; вниз – положительна.

Работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела, а зависит лишь от перепада высот (от изменения положения тела над поверхностью земли).

Работа силы тяжести по замкнутому контуру равна нулю.

Силы, работа которых по замкнутому контуру равна нулю, называются потенциальными (консервативными) . В механике потенциальными являются сила тяжести и упругая сила (в электродинамике – сила Кулона), непотенциальными – сила трения (в электродинамике – сила Ампера, Лоренца).

Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести:
.

Работа потенциальной силы всегда равна убыли потенциальной энергии:

.

Работа упругой силы (потенциальная энергия упруго деформированного тела)

/* Если какая-то физическая величина изменяется по линейному закону, ее среднее значение равно полусумме начального и конечного значений – F y */

Потенциальная энергия упруго деформированного тела:
.

Закон сохранения полной механической энергии

Полная механическая энергия – сумма кинетической и потенциальной энергии всех тел, входящих в систему:

.

По теореме о кинетической энергии работа всех сил, действующих на все тела . Если в системе все силы потенциальные, то справедливо утверждение: . Следовательно:

Полная механическая энергия замкнутой системы есть величина постоянная (если в системе действуют только потенциальные силы).

Если в системе есть силы трения, то можно применить следующий прием: силу трения назначаем внешней силой и применяем закон изменения полной механической энергии:

.

Работа внешней силы равна изменению полной механической энергии системы .

Жидкости и газы

Давление

Давление – это физическая величина, численно равная силе нормального давления, действующей на единицу площади:

.

Сила нормального давления всегда действует перпендикулярно поверхности.

.

1 Паскаль – это такое давление, которое производит сила 1 Н на перпендикулярную к ней поверхность площадь 1 м 2 . На практике применяют и внесистемные единицы давления:

Закон Паскаля для жидкостей и газов

Давление, оказываемое на жидкость, передается ей по всем направлениям одинаково. Давление не зависит от направления .

Гидростатическим давлением называется вес столба жидкости, приходящегося на единицу площади:

.

Такое давление жидкость оказывает на дно и стенки сосуда на глубине h.

Сообщающиеся сосуды

Равенство давлений жидкости на одной и той же высоте приводит к тому, что в сообщающихся сосудах любой формы свободные поверхности покоящейся однородной жидкости находятся на одном уровне (если влияние капиллярных сил пренебрежимо мало).

Если в сообщающиеся сосуды налиты жидкости с различной плотностью, то при равенстве давлений высота столба жидкости с меньшей плотностью будет больше высоты столба жидкости с большей плотностью, т.к. на одной высоте давление одинаково.

Принцип устройства гидравлического пресса

Основными частями гидравлического пресса являются два цилиндра с поршнями. Под цилиндрами находится мало сжимаемая жидкость, цилиндры соединены трубкой, по которой может перетекать жидкость.

При действии силы F 1 на поршень в узком цилиндре создается некоторое давление. По закону Паскаля такое же давление создается внутри жидкости во втором цилиндре, т.е.

.

Гидравлический пресс дает выигрыш во столько раз, во сколько раз площадь его большего поршня больше площади малого поршня.

Гидравлический пресс используется в домкратах и тормозных системах.

Атмосферное давление. Изменение атмосферного давления
с высотой

Под действием силы тяжести верхние слои воздуха в земной атмосфере давят на нижележащие слои. Это давление согласно закону Паскаля передается по всем направлениям. Наибольшее значение это давление, называемое атмосферным , имеет у поверхности Земли.

В ртутном барометре вес ртутного столбика, приходящийся на единицу площади (гидростатическое давление ртути), уравновешивается весом столба атмосферного воздуха, приходящегося на единицу площади – атмосферным давлением (см. рисунок).

С увеличение высоты над уровнем моря атмосферное давление уменьшается (см. график).

Архимедова сила для жидкостей и газов. Условия плавания тел

На тело, погруженное в жидкость или в газ, действует выталкивающая сила, направленная вертикально вверх и равная весу жидкости (газа), взятому в объеме погруженного тела.

Формулировка Архимеда: тело теряет в жидкости в весе ровно столько, сколько весит вытесненная их жидкость.

.

Вытесняющая сила приложена в геометрическом центре тела (для однородных тел – в центре тяжести).

На тело, находящееся в жидкости или газе, в обычных земных условиях действуют две силы: силы тяжести и архимедова сила. Если сила тяжести по модулю больше архимедовой силы, то тело тонет.

Если модуль силы тяжести равен модулю архимедовой силы, то тело может находиться в равновесии на любой глубине.

Если архимедова сила по модулю больше силы тяжести, то тело всплывает. Всплывшее тело частично выступает над поверхностью жидкости; объем погруженной части тела таков, что вес вытесненной жидкости равен весу плавающего тела.

Архимедова сила больше силы тяжести, если плотность жидкости больше плотности погруженного тела, и наоборот.

Механика

Формулы кинематики:

Кинематика

Механическое движение

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

Относительность движения. Система отсчета

Чтобы описать механическое движение тела (точки), нужно знать его координаты в любой момент времени. Для определения координат следует выбрать ­тело отсчета и связать с нимсистему координат . Часто телом отсчета служит Земля, с которой связывается прямоугольная декартова система координат. Для определения положения точки в любой момент времени необходимо также задать начало отсчета времени.

Система координат, тело отсчета, с которым она связана, и прибор для измерения времени образуют систему отсчета , относительно которой рассматривается движение тела.

Материальная точка

Тело, размерами которого в данных условиях движения можно пренебречь, называют материальной точкой .

Тело можно рассматривать как материальную точку, если его размеры малы по сравнению с расстоянием, которое оно проходит, или по сравнению с расстояниями от него до других тел.

Траектория, путь, перемещение

Траекторией движения называется линия, вдоль которой движется тело. Длина траектории называетсяпройденным путем .Путь – скалярная физическая величина, может быть только положительным.

Перемещением называется вектор, соединяющий начальную и конечную точки траектории.

Движение тела, при котором все его точки в данный момент времени движутся одинаково, называется поступательным движением . Для описания поступательного движения тела достаточно выбрать одну точку и описать ее движение.

Движение, при котором траектории всех точек тела являются окружностями с центрами на одной прямой и все плоскости окружностей перпендикулярны этой прямой, называется вращательным движением.

Метр и секунда

Чтобы определить координаты тела, необходимо уметь измерять расстояние на прямой между двумя точками. Любой процесс измерения физической величины заключается в сравнении измеряемой величины с единицей измерения этой величины.

Единицей измерения длины в Международной системе единиц (СИ) является метр . Метр равен примерно 1/40 000 000 части земного меридиана. По современному представлению метр – это расстояние, которое свет проходит в пустоте за 1/299 792 458 долю секунды.

Для измерения времени выбирается какой-нибудь периодически повторяющийся процесс. Единицей измерения времени в СИ принята секунда . Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения атома цезия при переходе между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния.

В СИ длина и время приняты за независимые от других величины. Подобные величины называются основными .

Мгновенная скорость

Для количественной характеристики процесса движения тела вводится понятие скорости движения.

Мгновенной скоростью поступательного движения тела в момент времениtназывается отношение очень малого перемещенияsк малому промежутку времениt, за который произошло это перемещение:

;
.

Мгновенная скорость – векторная величина. Мгновенная скорость перемещения всегда направлена по касательной к траектории в сторону движения тела.

Единицей скорости является 1 м/с. Метр в секунду равен скорости прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой точка за время 1 с перемещается на расстояние 1 м.

Действие происходит в начале 60-х гг. XX в. в Швейцарии, в частном сумасшедшем доме «Вишнёвый сад». Санаторий, благодаря стараниям его хозяйки, горбатой фрейлейн Матильды фон Цанг, доктора медицины, и пожертвованиям различных благотворительных обществ, расширяется. Строятся новые корпуса, куда переводят наиболее состоятельных и уважаемых пациентов. В старом здании остаются всего лишь три пациента, все они физики. Милые, безвредные и очень симпатичные психопаты. Они сговорчивы и скромны. Их можно было бы назвать образцовыми пациентами, если бы три месяца назад один из них, считающий себя Ньютоном, не удавил свою сиделку. Подобный случай повторился снова. На этот раз виновником стал второй пациент, считающий себя Эйнштейном. Полиция проводит расследование.

Инспектор полиции Рихард Фос передаёт фрейлейн фон Цанг приказ прокурора заменить сиделок санитарами. Она обещает ему это сделать.

В больницу приходит бывшая жена третьего физика, Иогана Вильгельма Мёбиуса, которая вышла замуж за миссионера Розе и теперь хочет вместе со своими тремя сыновьями попрощаться с первым мужем, поскольку с миссионером Розе уезжает на Марианские острова. Один из сыновей говорит отцу, что хочет стать священником, второй - философом, а третий - физиком. Мёбиус категорически против того, чтобы один из его сыновей становился физиком. Если бы сам он не стал физиком, то не попал бы в сумасшедший дом. Ведь ему является царь Соломон, Мальчики хотят сыграть отцу на флейтах. В самом начале игры Мёбиус вскакивает и просит их не играть. Он переворачивает стол, садится в него и начинает читать фантастические псалмы царя Соломона, затем прогоняет семейство Розе, которое уходит перепуганное и плачущее, навсегда расставаясь с Мёбиусом.

Сестра Моника, его сиделка, которая ухаживает за ним уже два года, видит, что он притворяется, изображая из себя сумасшедшего. Она признается ему в любви и просит уйти из сумасшедшего дома вместе с ней, поскольку фрейлейн фон Цанг не считает его опасным. Мёбиус тоже признается, что любит Монику больше жизни, но уйти с ней не может, не может предать царя Соломона. Моника не сдаётся, она настаивает. Тогда Мёбиус душит ее шнуром от портьеры.

В дом снова приезжает полиция. Они снова что-то измеряют, записывают, фотографируют. В комнату входят исполинского роста санитары, бывшие боксёры, и привозят больным роскошный ужин. Двое полицейских выносят труп Моники. Мёбиус сокрушается, что убил ее. В беседе с ним инспектор уже не проявляет тех изумления и враждебности, что были у него утром. Он даже сообщает Мёбиусу, что испытывает удовольствие по поводу того, что нашёл трёх убийц, которых с чистой совестью может не арестовывать, а правосудие в первый раз может отдохнуть. Служение закону, говорит он, - это изнурительная работа, на которой сгораешь как физически, так и морально. Он уходит, передавая дружеский привет Ньютону и Эйнштейну, а также поклон царю Соломону.

Из соседней комнаты выходит Ньютон. Он хочет поговорить с Мёбиусом и сообщить ему о своём плане побега из санатория. Появление санитаров вынуждает его ускорить приведение плана в исполнение и сделать это сегодня же. Он признается, что он вовсе не Ньютон, а Алек Джаспер Килтон, основоположник теории соответствий, пробравшийся в санаторий и изображавший сумасшедшего, чтобы иметь возможность шпионить за Мёбиусом, гениальнейшим. физиком современности. Для этого он с величайшим трудом овладел немецким языком в лагере своей разведки. Все началось с того, что он прочёл диссертацию Мёбиуса об основах новой физики. Сначала он счёл ее ребячеством, но потом пелена спала с его глаз. Он понял, что встретился с гениальным творением новейшей физики, и стал наводить справки об авторе, но - безуспешно. Тогда он поставил в известность свою разведку, и та напала на след. Из другой комнаты выходит Эйнштейн и сообщает, что он тоже читал эту диссертацию и также не является сумасшедшим. Он физик и, подобно Килтону, состоит на службе у разведки. Зовут его Иосиф Эйслер, он автор эффекта Эйслера. У Килтона вдруг оказывается в руках револьвер. Он просит Эйслера повернуться лицом к стене. Эйслер спокойно подходит к камину, кладёт на него свою скрипку, на которой перед этим играл, и неожиданно тоже поворачивается с револьвером в руке. Оба они вооружены и приходят к выводу, что лучше обойтись без дуэли, поэтому кладут свои револьверы за каминную решётку.

Они рассказывают Мёбиусу, почему убили своих сиделок. Сделали они это потому, что девушки начинали подозревать, что они не сумасшедшие, и тем самым ставили под угрозу выполнение их миссий. Друг друга же они все это время считали действительно сумасшедшими.

Входят трое санитаров, проверяют наличие всех троих пациентов, опускают на окна решётки, запирают их и затем уходят.

После их ухода Килтон и Эйслер наперебой расхваливают перспективы, которые могут предоставить Мёбиусу разведки их стран. Они предлагают Мёбиусу бежать из сумасшедшего дома, однако тот отказывается. Они начинают «рвать» его друг у друга из рук и приходят к выводу, что дело все же необходимо решить дуэлью, а если надо, то стрелять и в Мёбиуса, несмотря на то что он самый ценный человек на земле. Но рукописи его ещё ценнее. Тут Мёбиус признается, что заблаговременно сжёг все свои записи, итог пятнадцатилетнего труда, ещё до того, как вернулась полиция. Оба шпиона в ярости. Теперь они окончательно в руках Мёбиуса.

Мёбиус убеждает их, что они должны принять единственно разумное и ответственное решение, ибо их ошибка может привести к мировой катастрофе. Он выясняет, что на деле оба - и Килтон, и Эйслер - предлагают одно и то же: полнейшую зависимость Мёбиуса от той организации, куда он пошёл бы на службу, и риск, на который человек не имеет права идти: гибель человечества из-за оружия, которое можно создать на основе его открытий. В своё время, ещё в молодости, такая ответственность заставила его выбрать иной путь - отказаться от академической карьеры, объявить, что ему является царь Соломон, чтобы его заперли в сумасшедшем доме, ибо в нем он оказывается свободнее, чем за его пределами. Человечество отстаёт от физиков. И из-за них оно может погибнуть, Мёбиус призывает обоих коллег остаться в сумасшедшем доме и передать по рации своему начальству, что Мёбиус действительно сумасшедший. Они соглашаются с его доводами.

Вслед за этим входят санитары в чёрной форме, в фуражках и с револьверами. Вместе с ними - доктор фон Цанг. Они обезоруживают Килтона и Эйслера. Доктор сообщает физикам, что их разговор был подслушан и что они давно уже находились под подозрением. Доктор заявляет, что царь Соломон являлся ей все эти годы и сообщил, что теперь именно она должна принять власть над миром от лица царя, ибо Мёбиус, которому он сначала доверился, его предал. Она говорит, что давно уже сделала копии всех записей Мёбиуса и на их основе открыла гигантские предприятия. Она подставила всех троих физиков, заставив их убить сиделок, которых сама на них и натравила, Для окружающего мира они - убийцы. Санитары являются сотрудниками ее заводской полиции. А эта вилла отныне становится истинной сокровищницей ее треста, откуда все трое не могут сбежать. Она мечтает о могуществе, о покорении Вселенной. Мир попадёт в руки сумасшедшей хозяйки сумасшедшего дома.

Экзаменационные билеты по физике 2006-2007 уч. год

9 класс

Билет № 1 . Механическое движ ение. Путь. Скорость, Ускорение

Механическое движение -- изменение положения тела в пространстве относительно других тел с течением времени.

Путь -- длинна траектории, по которой движется тело в течение некоторого времени. Обозначается буквой s и измеряется в метрах (м). Рассчитывается по формуле

Скорость -- это векторная величина, равная отношению пути ко времени, за которое этот путь пройден. Определяет как быстроту движения, так и его направление в данный момент времени. Обозначается буквой и измеряется в метрах в секунду (). Рассчитывается по формуле

Ускорение при равноускоренном движении -- это векторная величина, равная отношению изменения скорости к промежутку времени, за которое это изменение произошло. Определяет быстроту изменения скорости по модулю и направлению. Обозначается буквой a или и измеряется в метрах в секунду в квадрате (). Рассчитывается по формуле

Билет № 2 . Явление инерции. Первый закон Ньютона. Сила и сло жение сил. Второй закон Ньютона

Явление сохранения скорости тела при отсутствии действия других тел называется инерцией.

Первый закон Ньютона: существуют такие системы отсчета, относительно которых тела сохраняют свою скорость неизменной, если на них не действуют другие тела.

Системы отсчета, где закон инерции выполняется, называются инертными .

Системы отсчета, где закон инерции не выполняется - неинертными .

Сила -- векторная величина. И она является мерой взаимодействия тел. Обозначается буквой F или и измеряется в ньютонах (Н)

Сила, которая производит на тело такое же действие, как несколько одновременно действующих сил, называется равнодействующей этих сил .

Равнодействующая сил, направленных по одной прямой в одну сторону, направлена в ту же сторону, а ее модуль равен сумме модулей составляющих сил.

Равнодействующая сил, направленных по одной прямой в противоположные стороны, направлена в сторону большей по модулю силы, а ее модуль равен разности модулей составляющих сил.

Чем больше равнодействующая приложенных к телу сил, тем большее ускорение получит тело.

При уменьшении силы в два раза ускорение тоже уменьшается в два раза,т.е.

Значит, ускорение, с которым движется тело постоянной массы, прямо пропорционально приложенной к этому телу силе, в результате которой возникает ускорение.

При увеличении массы тела в два раза, ускорение уменьшается в два раза,т.е.

Значит, ускорение, с которым движется тело с постоянной силой, обратно пропорционально массе этого тела.

Количественная взаимосвязь между массой тела, ускорением, и равнодействующей приложенных к телу сил, называется вторым законом Ньютона.

Второй закон Ньютона: ускорение тела прямо пропорционально равнодействующей сил, приложенных к телу, и обратно пропорционально его массе.

Математически второй закон Ньютона выражается формулой:

Билет № 3 . Третий закон Ньютона. Импульс. Закон сохранения импульса. Объяснение реактивного движения на ос нове закона сохранения импульса

Третий закон Ньютона: силы, с которыми два тела действуют друг на друга, равны по модулю и противоположны по направлению.

Математически третий закон Ньютона выражается так:

Импульс тела -- векторная величина, равная произведению массы тела на его скорость. Обозначается буквой и измеряется в килограммах на метрах в секунду (). Рассчитывается по формуле

закон сохранения импульса: сумма импульсов тел до взаимодействия равна сумме после взаимодействия. Рассмотрим реактивное движение на основе движения воздушного шарика с выходящей из него струей воздуха. Согласно закону сохранения импульса суммарный импульс системы, состоящей из двух тел должен остаться таким же, каким был до начала истечения воздуха, т.е. равным нулю. Поэтому шарик начинает двигаться в противоположную струе воздуха сторону с такой же скоростью, что его импульс равен модулю импульса воздушной струи.

Билет № 4 . Сила тяжести. Свободное падение. Ускорение свободного падения. Закон всемирн ого тяго тения

Сила тяжести -- сила, с которой Земля притягивает к себе тело. Обозначается или

Свободное падение -- движение тел под действием силы тяжести.

В данном месте Земли все тела независимо от их масс и других физических характеристик совершают свободное падение с одинаковым ускорением. Это ускорение называется ускорением свободного падения и обозначается буквой или. Оно

Закон всемирного тяготения: два любых тела притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной массе каждого из них и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.

G = 6,67?10 -11 Н?м 2 /кг 2

G - Гравитационная постоянная

Билет № 5 . Сила упругости. Объяснение устройства и принципа действия динамометра. Сила трения . Трение в природе и технике

Сила, возникающая в теле в результате его деформации и стремящаяся вернуть тело в исходное положение называется, силой упругости . Обозначается. Находится по формуле

Динамометр -- прибор для измерения силы.

Основная часть динамометра -- стальная пружина, которой придают разную форму в зависимости от назначения прибора. Устройство простейшего динамометра основано на сравнении любой силы с силой упругости пружины.

При соприкосновении одного тела с другим возникает взаимодействие, препятствующее их относительному движению, которое называют трением. А силу, характеризующую это взаимодействие, называют силой трения. Бывает трение покоя, трение скольжения и трение качения.

Без трения покоя ни люди, ни животные не могли бы ходить по земле, т.к. при ходьбе мы отталкиваемся ногами от земли. Не будь трения, предметы выскальзывали бы из рук. Сила трения останавливает автомобиль при торможении, но без трения покоя он не смог бы и начать движение. Во многих случаях трение вредно и с ним приходится бороться. Для уменьшения трения соприкасающиеся поверхности делают гладкими, а между ними вводят смазку. Чтобы уменьшить трение вращающихся валов машин и станков, их опирают на подшипники.

Билет №6 . Давление. Атмосферное давление . Закон Паскаля. Закон Архимеда

Величина, равная отношению силы, действующей перпендикулярно поверхности, к площади этой поверхности, называется давлением . Обозначается буквой или и измеряется в паскалях (Па). Рассчитывается по формуле

Атмосферное давление -- это давление всей толщи воздуха на земную поверхность и тела, находящиеся на ней.

Атмосферное давление, равное давлению столба ртути высотой 760мм при температуре, называется нормальным атмосферным давлением.

Нормальное атмосферное давление равно101300Па = 1013гПа.

Каждые 12м давление уменьшается на 1мм. рт. ст. (или на 1,33гПа)

Закон Паскаля: давление, производимое на жидкость или газ, передается в любую точку одинаково во всех направлениях.

Закон Архимеда: на тело, погружённое в жидкость (или газ, или плазму), действует выталкивающая сила (называемая силой Архимеда)

где с -- плотность жидкости (газа), -- ускорение свободного падения, а V -- объём погружённого тела (или часть объёма тела, находящаяся ниже поверхности). Выталкивающая сила (называемая также архимедовой силой) равна по модулю (и противоположна по направлению) силе тяжести, действовавшей на вытесненный телом объём жидкости (газа), и приложена к центру тяжести этого объёма.

Следует заметить, что тело должно быть полностью окружено жидкостью (либо пересекаться поверхностью жидкости). Так, например, закон Архимеда нельзя применить к кубику, который лежит на дне резервуара, герметично касаясь дна.

Билет №7 . Работа силы. Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения механической энергии

Механическая работа совершается, только когда на тело действует сила, и оно движется.

Механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и прямо пропорциональна пройденному пути. Обозначается буквой или и измеряется в джоулях (Дж). Рассчитывается по формуле

Энергия -- физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело. Измеряется энергия в джоулях (Дж).

Потенциальной энергией называется энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела. Обозначается буквой или. Рассчитывается по формуле

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической энергией. Обозначается буквой или. Рассчитывается по формуле

Закон сохранения механической энергии:

При отсутствии сил типа трения механическая энергия не возникает из ничего и не может никуда исчезнуть.

Билет № 8 . Механические колебания. Механические волны. Звук. Колебания в природе и технике

Движение, повторяющееся через определенный промежуток времени, называется колебательным .

Колебания, происходящие только благодаря начальному запасу энергии, называются свободными колебаниями .

Система тел, которые способны совершать свободные колебания, называются колебательными системами.

Общие свойства всех колебательных систем:

1. Наличие положения устойчивого равновесия.

2. Наличие силы, возвращающей систему в положение равновесия.

Характеристики колебательного движения:

1. Амплитуда -- наибольшее (по модулю) отклонение тела от положения равновесия.

2. Период -- промежуток времени, в течение которого тело совершает одно полное колебание.

3. Частота -- число колебаний в единицу времени.

4. Фаза (разность фаз)

Возмущения, распространяющиеся в пространстве, удаляясь от места их возникновения, называются волнами .

Необходимым условием возникновения волны является появление в момент возникновения возмущения препятствующих ему сил, например сил упругости.

Виды волн:

1. Продольная -- волна, в которой колебания происходят вдоль направления распространения волны

2. Поперечная -- волна, в которой колебания происходят перпендикулярно направлению их распространения.

Характеристики волны:

1. Длина волны -- расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах.

2. Скорость волны -- величина численно равная расстоянию, которое за единицу времени проходит любая точка волны.

Звуковые волны -- это продольные упругие волны. Ухо человека воспринимает в виде звука колебания с частотой от 20 Гц до 20000 Гц.

Источник звука -- тело, колеблющееся со звуковой частотой.

Приемник звука -- тело способное воспринимать звуковые колебания.

Скорость звука -- расстояние, на которое распространяется звуковая волна за 1 секунду.

Скорость звука зависит от:

2. Температуры.

Характеристики звука:

1. Частота

2. Высота тона

3. Амплитуда

4. Громкость. Зависит от амплитуды колебаний: чем больше амплитуда колебаний, тем громче звук.

Билет №9 . Модели строения газов, жидкостей и твердых тел. Тепловое движение атомов и молекул. Броуновское движение и диффузия. Взаимодействие частиц вещества

Молекулы газа, двигаясь во всех направлениях, почти не притягиваются друг к другу и заполняют весь сосуд. В газах расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул. Поскольку в среднем расстояния между молекулами в десятки раз больше размера молекул, то они слабо притягиваются друг к другу. Поэтому газы не имеют собственной формы и постоянного объема.

Молекулы жидкости не расходятся на большие расстояния, и жидкость в обычных условиях сохраняет свой объем. Молекулы жидкости расположены близко друг к другу. Расстояния между каждыми двумя молекулами меньше размеров молекул, поэтому притяжение между ними становится значительным.

В твердых телах притяжение между молекулами (атомами) еще больше, чем у жидкостей. Поэтому в обычных условиях твердые тела сохраняют свою форму и объем. В твердых телах молекулы (атомы) расположены в определенном порядке. Это лед, соль, металлы и др. Такие тела называются кристаллами. Молекулы или атомы твердых тел колеблются около определенной точки и не могут далеко переместиться от нее. Твердое тело потому сохраняет не только объем, но и форму.

Т.к. со скоростью движения молекул связана его t, то хаотическое движение молекул, из которых состоят тела, называют тепловым движением . Тепловое движение отличается от механического тем, что в нем участвует множество молекул и каждая движется беспорядочно.

Броуновское движение - это беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием ударов молекул окружающей среды. Открыто и впервые исследовано в 1827 г. английским ботаником Р. Брауном как движение цветочной пыльцы в воде, видимое при сильном увеличении. Броуновское движение не прекращается.

Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называют диффузией .

Между молекулами вещества существует взаимное притяжение. Между молекулами вещества в то же время существует отталкивание.

На расстояниях, сравнимых с размерами самих молекул, заметнее проявляется притяжение, а при дальнейшем сближении отталкивание.

Билет № 10 . Тепловое равновесие. Температура. Измерение температуры. Связь температуры со скорост ью хаотического движения частиц

Две системы находятся в состоянии теплового равновесия, если при контакте через диатермическую перегородку параметры состояния обеих систем не изменяются. Диатермическая перегородка совершенно не препятствует тепловому взаимодействию систем. При тепловом контакте две системы приходят в состояние теплового равновесия.

Температура -- физическая величина, примерно характеризующая приходящуюся на одну степень свободы среднюю кинетическую энергию частиц макроскопической системы, находящейся в состоянии термодинамического равновесия.

Температура -- физическая величина, характеризующая степень нагрева тела.

Температура измеряется с помощью термометров. Основные единицы измерения температуры -- это Цельсий, Фаренгейт и Кельвин

Термометр -- устройство, используемое для измерения температуры данного тела путем сравнения с опорными значениями, условно выбранными за точки отсчета и позволяющими установить шкалу измерений. При этом в разных термометрах используются разные связи между температурой и каким-то наблюдаемым свойством прибора, которое можно считать линейно зависящим от температуры.

При увеличении температуры средняя скорость движения частиц увеличивается.

При уменьшении температуры средняя скорость движения частиц уменьшается.

Билет №11 . Внутренняя энергия. Работа и теплопередача как способы изменения внутренней энергии тела. Закон сохранен ия энергии в тепловых процессах

Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией тела .

Внутренняя энергия тела не зависит ни от механического движения тела, ни от положения этого тела относительно других тел.

Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: совершением механической работы или теплопередачей.

теплопередачей .

При повышении температуры внутренняя энергия тела увеличивается. С понижением температуры внутренняя энергия тела уменьшается. Внутренняя энергия тела увеличивается при совершении над ним работы.

Механическая и внутренняя энергия могут переходить от одного тела к другому.

Этот вывод справедлив для всех тепловых процессов. При теплопередаче, например, тело более нагретое отдает энергию, а тело менее нагретое получает энергию.

При переходе энергии от одного тела к другому или при превращении одного вида энергии в другой энергия сохраняется.

Если между телами происходит теплообмен, то внутренняя энергия всех нагревающихся тел увеличивается настолько, насколько уменьшается внутренняя энергия остывающих тел.

Билет № 12 . Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение. Примеры теплопередачи в природе и технике

Процесс изменения внутренней энергии без совершения работы над телом или самим телом называется теплопередачей .

Перенос энергии от более нагретых участков тела к менее нагретым в результате теплового движения и взаимодействия частиц называется теплопроводностью .

При конвекции энергия переносится самими струями газа или жидкости.

Излучение -- процесс передачи теплоты путем лучеиспускания.

Передача энергии излучением отличается от других видов теплопередачи тем, что она может осуществляться в полном вакууме.

Примеры теплопередачи в природе и технике:

1. Ветры. Все ветры в атмосфере представляют собой конвекционные потоки огромного масштаба.

Конвекцией объясняются, например, ветры бризы, возникающие на берегах морей. В летние дни суша прогревается солнцем быстрее, чем вода, поэтому и воздух над сушей нагревается больше, чем над водой, его плотность уменьшается и давление становится меньше давления более холодного воздуха над морем. В результате, как в сообщающихся сосудах, холодный воздух по низу с моря перемещается к берегу -- дует ветер. Это и есть дневной бриз. Ночью вода охлаждается медленнее, чем суша, и над сушей воздух становится более холодным, чем над водой. Образуется ночной бриз -- движение холодного воздуха от суши к морю.

2. Тяга. Мы знаем, что без притока свежего воздуха горение топлива невозможно. Если в топку, в печь, в трубу самовара не будет поступать воздух, то горение топлива прекратится. Обычно используют естественный приток воздуха -- тягу. Для создания тяги над топкой, например в котельных установках фабрик, заводов, электростанций, устанавливают трубу. При горении топлива воздух в ней нагревается. Значит, давление воздуха, находящегося в топке и трубе, становится меньше давления наружного воздуха. Вследствие разницы давлений холодный воздух поступает в топку, а теплый поднимается вверх -- образуется тяга.

Чем выше труба, сооруженная над топкой, тем больше разница давлений наружного воздуха и воздуха в трубе. Поэтому тяга усиливается при увеличении высоты трубы.

3. Отопление и охлаждение жилых помещений. Жители стран, расположенных в умеренных и холодных поясах Земли, вынуждены обогревать свое жилище. В странах, расположенных в тропических и субтропических поясах, температура воздуха даже в январе достигает + 20 и +30 о С. Здесь применяют устройства, охлаждающие воздух в помещениях. И нагревание, и охлаждение воздуха в помещениях основано на конвекции.

Охлаждающие устройства целесообразно располагать наверху, ближе к потолку, чтобы осуществлялась естественная конвекция. Ведь холодный воздух имеет плотность большую, чем теплый, и поэтому будет опускаться.

Обогревательные приборы располагают внизу. Во многих современных больших домах устраивают водяное отопление. Циркуляция воды в нем и прогревание воздуха в помещении происходят за счет конвекции.

Если установка для обогревания здания находится в нем самом, то в подвальном этаже устанавливают котел, в котором нагревают воду. По вертикальной трубе, отходящей от котла, горячая вода поднимается в бак, который обычно помещают на чердаке дома. От бака проводят систему распределительных труб, по которым вода проходит в радиаторы, устанавливаемые на всех этажах, она отдает им свое тепло и возвращается в котел, где снова подогревается. Так происходит естественная циркуляция воды -- конвекция.

В больших зданиях используются более сложные установки. Горячая вода подается сразу в несколько зданий из котла, установленного в специальном помещении. Воду гонят в. здания при помощи насосов, т. е. создают искусственную конвекцию.

4. Теплопередача и растительный мир. Температура нижнего слоя воздуха и поверхностного слоя почвы имеет большое значение для развития растений.

В прилегающем к Земле слое воздуха и верхнем слое почвы происходят изменения температуры. Днем почва поглощает энергию и нагревается, ночью, наоборот, охлаждается. На ее нагревание и охлаждение влияет присутствие растительности. Так, темная, вспаханная почва сильнее нагревается излучением, но быстрее и охлаждается, чем почва, покрытая растительностью.

На теплообмен между почвой и воздухом влияет также погода. В ясные, безоблачные ночи почва сильно охлаждается -- излучение от почвы беспрепятственно уходит в пространство. В такие ночи ранней весной возможны заморозки на почве. Если же погода облачная, то облака закрывают Землю и играют роль своеобразных экранов, защищающих почву от потери энергии путем излучения.

Одним из средств повышения температуры участка почвы и припочвенного воздуха служат теплицы, которые позволяют полнее использовать излучение Солнца. Участок почвы покрывают стеклянными рамами или прозрачными пленками. Стекло хорошо пропускает видимое солнечное излучение, которое, попадая на темную почву, нагревает ее, но хуже пропускает невидимое излучение, испускаемое нагретой поверхностью Земли. Кроме того, стекло (или пленка) препятствует движению теплого воздуха вверх, т. е. осуществлению конвекции. Таким образом, стекла теплиц действуют как «ловушка» энергии. Внутри теплиц температура выше, чем на незащищенном грунте, примерно на 10 °С.

5. Термос. Теплопередача от более нагретого тела к более холодному приводит к выравниванию их температур. Поэтому если в комнату внести, например, горячий чайник, то он остынет. Часть его внутренней энергии перейдет к окружающим телам. Чтобы помешать телу остывать или нагреваться, нужно уменьшить теплопередачу. При этом стремятся сделать так, чтобы энергия не передавалась ни одним из трех видов теплопередачи: конвекцией, теплопроводностью и излучением.

Он состоит из стеклянного сосуда с двойными стенками. Внутренняя поверхность стенок покрыта блестящим металлическим слоем, а из пространства между стенками сосуда выкачан воздух. Лишенное воздуха пространство между стенками не проводит тепло, блестящий слой, вследствие отражения, препятствует передаче энергии излучением. Чтобы защитить стекло от повреждений, термос помещают в картонный или металлический футляр. Сосуд закупоривают пробкой, а сверху футляра навинчивают колпачок.

Билет № 13 . Количество теплоты. Удельная теплоемк ость. Плавление. Кристаллизация

Энергия, которую тело получает или теряет при теплопередаче, называется количеством теплоты . Обозначается буквой Q и измеряется в джоулях (Дж). Рассчитывается по формуле

Количество теплоты, необходимое для нагревания тела (или выделяемое им при остывании), зависит от рода вещества, из которого оно состоит, от массы этого тела и от изменения его температуры.

Чтобы подсчитать количество теплоты, необходимое для нагревания тела или выделяемое им при охлаждении, нужно удельную теплоемкость вещества умножить на массу тела и на разность между большей и меньшей его температурами.

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты требуется для изменения температуры вещества массой 1 кг на 1°С, называется удельной теплоемкостью . Обозначается буквой и измеряется в. Рассчитывается по формуле

Удельная теплоемкость некоторых веществ,

Переход вещества из твердого состояния в жидкое называют плавлением .

Температуру, при которой вещество плавится, называют температурой плавления вещества.

Переход вещества из жидкого состояния в твердое называют отвердеванием или кристаллизацией .

Температуру, при которой вещество отвердевает (кристаллизуется), называют температурой отвердевания или кристаллизации.

Вещества отвердевают при той же температуре, при которой плавятся.

Температура плавления некоторых веществ, °С

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо сообщить кристаллическому телу массой 1 кг, чтобы при температуре плавления полностью перевести его в жидкое состояние, называется удельной теплотой плавления . Обозначается буквой и измеряется в. Рассчитывается по формуле

Удельная теплота плавления некоторых веществ (при температуре плавления)

Билет № 14 . Испарение. Конденса ция. Кипение. Влажность воздуха

Явление превращения жидкости в пар называется парообразованием.

Существует два способа перехода жидкости в газообразное состояние испарение и кипение.

Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением .

Скорость испарения зависит от рода жидкости. Испарение должно происходить при любой температуре. Испарение происходит тем быстрее, чем выше температура жидкости. Скорость испарения жидкости зависит от площади ее поверхности. При ветре испарение жидкости происходит быстрее.

Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией.

Кипение -- это интенсивный переход жидкости в пар вследствие образования и роста пузырьков пара, которые при определенной температуре для каждой жидкости всплывают на ее поверхность и лопаются.

Температуру, при которой жидкость кипит, называют температурой кипения. Во время кипения температура жидкости не меняется.

Температура кипения некоторых веществ, °С

Физическая величина, показывающая, какое количество теплоты необходимо, чтобы обратить жидкость массой 1 кг в пар без изменения температуры, получила название удельной теплоты парообразования. Обозначается буквой и измеряется в. Рассчитывается по формуле

Удельная теплота парообразования некоторых веществ (при температуре кипения)

Аммиак (жидкий)		Воздух (жидкий)

Билет №15 . Электризация тел. Два вида электрических зарядов. Взаимодействие зарядов. Закон сохра нения электрического заряда

Про тело, которое после натирания притягивает к себе другие тела, говорят, что оно наэлектризовано или что ему сообщен электрический заряд.

Электризоваться могут тела, сделанные из разных веществ. Электризация тел происходит при соприкосновении и последующем разделении тел.

В электризации участвуют два тела. При этом электризуются оба тела.

Существует два вида электрических зарядов.

Заряд, полученный на стекле, потертом о шелк, назвали положительным, т.е. приписали знак « + ». А заряд, полученный на янтаре, потертом о шерсть, назвали отрицательным, т.е. приписали знак « - ».

Тела, имеющие электрические заряды одинакового знака, отталкиваются , а тела, имеющие электрические заряды противоположного знака, взаимно притягиваются .

Закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов в замкнутой системе остается постоянной.

Билет № 16 . Постоянный электрический ток. Электрическая цепь. Электрическое сопротивление. Закон Ома для участка электрической цепи

Электрическим током называется упорядоченное движение заряженных частиц. Электрический ток имеет определенное направление. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц.

Электрическая цепь -- совокупность различных устройств и соединяющих их проводников (или элементов электропроводящей среды), по которым может протекать электрический ток.

Электрическое сопротивление -- величина, обратная электропроводности. Измеряется в Омах.

1 Ом -- сопротивление такого проводника, в котором при напряжении на концах 1 вольт сила тока равна 1 амперу.

Закон Ома для участка цепи: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению .

Билет № 17 . Работа и мощность электрического тока. Закон Джоуля - Ленца. Использование теплового действия тока в технике

Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа.

Измеряется работа в джоулях (Дж) или в ваттах в секунду (Вт?с).

Мощность электрического тока равна произведению напряжения на силу тока.

Измеряется мощность в ваттах (Вт).

Закон Джоуля-Ленца: количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Использование теплового действия тока в технике:

Основная часть современной лампы накаливания -- спираль из тонкой вольфрамовой проволоки. Вольфрам -- тугоплавкий металл, его температура плавления 3 387 °C. В лампе накаливания вольфрамовая спираль нагревается до 3 000°C, при такой температуре она достигает белого каления и светится ярким светом. Спираль помещают в стеклянную колбу, из которой выкачивают насосом воздух, чтобы спираль не перегорала. Но в вакууме вольфрам быстро испаряется, спираль становится тоньше и тоже сравнительно быстро перегорает. Чтобы предотвратить быстрое испарение вольфрама, современные лампы наполняют азотом, иногда инертными газами -- криптоном или аргоном. Молекулы газа препятствуют выходу частиц вольфрама из нити, т. е. препятствуют разрушению накаленной нити.

Тепловое действие тока используют в различных электронагревательных приборах и установках. В домашних условиях широко применяют электрические плитки, утюги, чайники, кипятильники. В промышленности тепловое действие тока используют для выплавки специальных сортов стали и многих других металлов, для электросварки. В сельском хозяйстве с помощью электрического тока обогревают теплицы, кормозапарники, инкубаторы, сушат зерно, приготовляют силос.

Основная часть всякого нагревательного электрического прибора -- нагревательный элемент. Нагревательный элемент представляет собой проводник с большим удельным сопротивлением, способный, кроме того, выдерживать, не разрушаясь, нагревание до высокой температуры. Чаще всего для изготовления нагревательного элемента применяют сплав никеля, железа, хрома и марганца, известный под названием «нихром».

В нагревательном элементе проводник в виде проволоки или ленты наматывается на пластинку из жароустойчивого материала: слюды, керамики. Так, например, нагревательным элементом в электрическом утюге служит нихромовая лента, от которой нагревается нижняя часть утюга.

Билет № 18 . Электрическое поле. Действия электрического поля на электрические заряды. Конденсатор. Энергия э лектрического поля конденсатора

Электрическое поле-- это особая форма материи, существующая независимо от наших представлений о нем.

Главное свойство электрического поля -- действие его на электрические заряды с некоторой силой.

Электрическое поле неподвижных зарядов называют электростатическим. Оно не меняется со временем. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды, и неразрывно с ними связано.

Конденсатор представляет собой два проводника, разделенные слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Проводники в этом случае называются обкладками конденсатора.

Энергия конденсатора пропорциональна его электроемкости и квадрату напряжения между пластинами. Вся эта энергия сосредоточена в электрическом поле. Плотность энергии поля пропорциональна квадрату напряженности поля.

Билет № 19 . Опыт Эрстеда. Магнитное поле тока. Взаимодействие магнитов. Действие магнитного по ля на проводник с током

Опыт Эрстеда:

Расположим проводник, включенный в цепь источника тока, над магнитной стрелкой параллельно ее оси. При замыкании цепи магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения. При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в свое начальное положение. Это означает, что проводник с током и магнитная стрелка взаимодействуют друг с другом.

Выполненный опыт наводит на мысль о существовании вокруг проводника с электрическим током магнитного поля. Оно и действует на магнитную стрелку, отклоняя ее.

Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т. е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

Линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называют магнитными линиями магнитного поля. Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитной линии магнитного поля.

Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые кривые, охватывающие проводник.

Тела, длительное время сохраняющие намагниченность, называются постоянными магнитами или просто магнитами.

Те места магнита, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия, называют полюсами магнита . У всякого магнита, как и у известной нам магнитной стрелки, обязательно есть два полюса: северный (N ) и южный (S ).

Поднося к полюсам магнитной стрелки магнит, можно заметить, что северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному полюсу. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается северным полюсом.

На основании описанных опытов можно сделать следующее заключение: разноименные магнитные полюсы притягиваются, одноименные отталкиваются. Это правило относится и к электромагнитам.

Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого магнита имеется магнитное поле. Магнитное поле одного магнита действует на другой магнит, и, наоборот, магнитное поле второго магнита действует на первый.

Магнитное поле действует с некоторой силой на любой проводник с током, находящийся в этом поле.

Билет №20 . Явление электромагнитной индукции. Индукционный ток. Опыты Фарадея. Переменный ток

Явление электромагнитной индукции заключается в возникновении электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную этим контуром.

Электрический ток, возникающий при явлении электромагнитной индукции, называется индукционным.

Опыты Фарадея:

Электрический ток, периодически меняющийся со временим по модулю и направлению, называется переменным.

Билет № 21 . Закон прямолинейного распространения света. Закон отражения света. Плоское зеркало. Явление пре ломления света

Закон прямолинейного распространения света: свет в прозрачной среде распространяется прямолинейно.

Законы отражения света: 1. Лучи, падающий и отраженный, лежат в одной плоскости с перпендикуляром, проведенным к границе раздела двух сред в точке падения луча. 2. Угол падения равен углу отражения.

Зеркало, поверхность которого представляет собой плоскость, называется плоским зеркалом.

Изображение предмета в плоском зеркале имеет следующие особенности: это изображение мнимое, прямое, равное по размерам предмету, находится оно на таком же расстоянии за зеркалом, на каком предмет расположен перед зеркалом.

Преломление света -- явление изменения направления распространения света при его прохождении через границу раздела двух спед.

Билет №22 . Линза. Фокусное расстояние линзы. Построение изображения в собирающей линзе. Глаз как оптическая система

Линзы бывают выпуклые и вогнутые.

Рассмотрим сначала свойства выпуклой линзы.

Закрепим линзу в оптическом диске и направим на нее пучок лучей, параллельных ее оптической оси (рис. 150). Мы увидим, что лучи дважды преломляются -- при переходе из воздуха в линзу и при выходе из нее в воздух. В результате этого они изменят свое направление и пересекутся в одной точке, лежащей на оптической оси линзы; эту точку называют фокусом линзы F . Расстояние от оптического центра линзы до этой точки называют фокусным расстоянием линзы; его также обозначают буквой F .

Выпуклую линзу называют собирающей.

Вогнутую линзу называют рассеивающей линзой. Но н у вогнутой (рассеивающей) линзы есть фокус, только он мнимый. Если расходящийся пучок лучей, выходящих из такой линзы, продолжить в сторону, противоположную их направлению, то продолжения лучей пересекутся в точке F, лежащей на оптической оси с той же стороны, с какой падает свет на линзу. Эта точка называется мнимым фокусом рассеивающей линзы

Если предмет находится между линзой и ее фокусом, то его изображение -- увеличенное, мнимое, прямое, и расположено оно по ту же сторону от линзы, что и предмет, и дальше, чем предмет.

Если предмет находится между фокусом и двойным фокусом линзы, то линза дает его увеличенное, перевернутое, действительное изображение; оно расположено по другую сторону от линзы по отношению к предмету, за двойным фокусным расстоянием.

Если предмет находится за двойным фокусом линзы, то линза дает его уменьшенное, перевернутое, действительное изображение предмета, лежащее по другую сторону линзы между ее фокусом и двойным фокусом

Глаз человека имеет почтя шарообразную, он защищен плотной оболочкой, называемой склерой. Передняя часть склеры -- роговая оболочка прозрачна. За роговой оболочкой расположена радужная оболочка, которая у разных людей может иметь разный цвет. Между роговицей и радужной оболочкой находится водянистая жидкость.

В радужной оболочке есть отверстие -- зрачок, диаметр которого в зависимости от освещения может изменяться примерно от 2 до 8 мм. Меняется он потому, что радужная оболочка способна раздвигаться.

За зрачком расположено прозрачное тело, по форме похожее на собирающую линзу,-- это хрусталик, он окружен мышцами, прикрепляющими его к склере.

За хрусталиком расположено стекловидное тело. Оно прозрачно и заполняет всю остальную часть глаза. Задняя часть склеры -- глазное дно -- покрыто сетчатой оболочкой. Сетчатка состоит из тончайших волокон, которые как ворсинки устилают глазное дно. Они представляют собой разветвленные окончания зрительного нерва, чувствительные к свету.

Свет, падающий в глаз, преломляется на передней поверхности глаза, в роговице, хрусталике и стекловидном теле, благодаря чему на сетчатке образуется действительное, уменьшенное, перевернутое изображение рассматриваемых предметов.

Свет, падая на окончания зрительного нерва, из которых состоит сетчатка, раздражает эти окончания. Раздражения по нервным волокнам передаются в мозг, и человек получает зрительное впечатление, видит предметы. Процесс зрения коррек...........

2.2 Распределение Максвелла и Больцмана

2.2.1 Скорости газовых молекул

2.3. Первое начало термодинамики

2.3.1 Работа и энергия в тепловых процессах. Первое начало термодинамики

2.3.2 Теплоемкость газа. Применение первого начала термодинамики к изопроцессам

2.4. Второе начало термодинамики

2.4.1. Работа тепловых машин. Цикл Карно

2.4.2 Второе начало термодинамики. Энтропия

2.5 Реальные газы

2.5.1 Уравнение Ван-дер-Ваальса. Изотермы реального газа

2.5.2 Внутренняя энергия реального газа. Эффект Джоуля-Томсона

III Электричество и магнетизм

3.1 Электростатика

3.1.1 Электрические заряды. Закон Кулона

3.1.2 Напряженность электрического поля. Поток линий вектора напряженности

3.1.3 Теорема Остроградского - Гаусса и его применение для расчета полей

3.1.4 Потенциал электростатического поля. Работа и энергия заряда в электрическом поле

3.2 Электрическое поле в диэлектриках

3.2.1 Электроемкость проводников, конденсаторы

3.2.2 Диэлектрики. Свободные и связанные заряды, поляризация

3.2.3 Вектор электростатической индукции. Сегнетоэлектрики

3.3 Энергия электростатического поля

3.3.1 Электрический ток. Законы Ома для постоянного тока

3.3.2 Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа. Работа и мощность постоянного тока

3.4 Магнитное поле

3.4.1 Магнитное поле. Закон Ампера. Взаимодействие параллельных токов

3.4.2 Циркуляция вектора индукции магнитного поля. Закон полного тока.

3.4.3 Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле прямого тока

3.4.4 Сила Лоренца Движение заряженных частиц в электрических и магнитных полях

3.4.5 Определение удельного заряда электрона. Ускорители заряженных частиц

3.5 Магнитные свойства вещества

3.5.1 Магнетики. Магнитные свойства веществ

3.5.2 Постоянные магниты

3.6 Электромагнитная индукция

3.6.1 Явления электромагнитной индукции. Закон Фарадея. Токи Фуко

3.6.2 Ток смещения. Вихревое электрическое поле Уравнения Максвелла

3.6.3 Энергия магнитного поля токов

IV Оптика и основы ядерной физики

4.1. Фотометрия

4.1.1 Основные фотометрические понятия. Единицы измерений световых величин

4.1.2 Функция видности. Связь между светотехническими и энергетическими величинами

4.1.3 Методы измерения световых величин

4.2 Интерференция света

4.2.1 Способы наблюдения интерференции света

4.2.2 Интерференция света в тонких пленках

4.2.3 Интерференционные приборы, геометрические измерения

4.3 Дифракция света

4.3.1 Принцип Гюйгенса-Френеля. Метод зон Френеля. Зонная пластинка

4.3.2 Графическое вычисление результирующей амплитуды. Применение метода Френеля к простейшим дифракционным явлениям

4.3.3 Дифракция в параллельных лучах

4.3.4 Фазовые решетки

4.3.5 Дифракция рентгеновских лучей. Экспериментальные методы наблюдения дифракции рентгеновских лучей. Определение длины волны рентгеновских лучей

4.4 Основы кристаллооптики

4.4.1 Описание основных экспериментов. Двойное лучепреломление

4.4.2 Поляризация света. Закон Малюса

4.4.3 Оптические свойства одноосных кристаллов. Интерференция поляризованных лучей

4.5 Виды излучения

4.5.1 Основные законы теплового излучения. Абсолютно черное тело. Пирометрия

4.6 Действие света

4.6.1 Фотоэлектрический эффект. Законы внешнего фотоэффекта

4.6.2 Эффект Комптона

4.6.3 Давление света. Опыты Лебедева

4.6.4 Фотохимическое действие света. Основные фотохимические законы. Основы фотографии

4.7 Развитие квантовых представлений об атоме

4.7.1 Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Планетарно-ядерная модель атома

4.7.2 Спектр атомов водорода. Постулаты Бора

4.7.3 Корпускулярно-волновой дуализм. Волны де Бройля

4.7.4 Волновая функция. Соотношение неопределенности Гейзенберга

4.8 Физика атомного ядра

4.8.1 Строение ядра. Энергия связи атомного ядра. Ядерные силы

4.8.2 Радиоактивность. Закон радиоактивного распада

4.8.3 Радиоактивные излучения

4.8.4 Правила смещения и радиоактивные ряды

4.8.5 Экспериментальные методы ядерной физики. Методы регистрации частиц

4.8.6 Физика элементарных частиц

4.8.7 Космические лучи. Мезоны и гипероны. Классификация элементарных частиц

Содержание

Министерство образования и науки Республики Казахстан

Павлодарский государственный университет

им. С. Торайгырова

В.А. Жексенбекова, Т.Т. Данияров, М.Ш. Алинова

ФИЗика

Павлодар

Учебник рекомендован к изданию учебно-методической секцией по специальностям профессионального обучения, искусства и услуг Республиканского учебно-методического совета (РУМС) МОН РК при ЮКГУ им. М. Ауэзова, протокол №4 от 22.05.09

Рецензенты:

Т.С.Рамазанов - доктор физико-математических наук, профессор, КазНУ им. Аль-Фараби, г. Алматы;

С.К. Тлеукенов - доктор физико-математических наук, профессор, ПГУ им.С.Торайгырова, г. Павлодар;

А.М. Мубараков – доктор педагогических наук, профессор, Инновационный Евразийский университет, г. Павлодар.

В.А. Жексембекова, Т.Т. Данияров, М. Ш. Алинова

А50 Физика: учебник.  Павлодар: Кереку, 2009.  370 с.

ISBN 9965 - 9965 - 32 – 910-9

В учебнике обобщен опыт подготовки будущих педагогов профессионального обучения к профессиональной деятельности через раскрытие содержания и структуры курса физики с учетом достижений современной науки и практики.

В курсе физики рассматриваются вопросы, предусмотренные требованиями стандарта специальности, которые должны обеспечить будущему педагогу профессионального обучения основы его теоретической подготовки в различных областях физической науки.

Учебник предназначен для учащихся колледжей и студентов специальности 0505120 –Профессиональное обучение, педагогов и работников организаций профессионального образования.

А 1604000000

ISBN 9965 - 9965 - 32 – 910-9

 Жексембекова В.А., Данияров Т.Т., Алинова М.Ш., 2009

 ПГУ им. С. Торайгырова, 20099

Введение Физика как наука. Содержание и структура физики

«Физика»- по-гречески «природа». Наряду с другими естественными науками физика изучает свойства окружающего нас мира, строение и свойства материи, законы взаимодействия и движения материальных тел. Физика - наука о наиболее простых общих свойствах материи. Среди всех наук о природе физика занимает особое положение: это есть наука о наиболее общих свойствах и формах движения материи. Материя находится в непрерывном движении, под которым понимается всякое изменение вообще. Движение представляет собой неотъемлемое свойство материи, которое несотворимо и неуничтожимо, как и сама материя. Материя существует и движется в пространстве и во времени, которые являются формами бытия материи.

Процесс познания в физике, как и в любой науке, начинается либо с наблюдения явлений в естественных условиях, либо со специально поставленных опытов - экспериментов. Результат эксперимента, при постановке которого исследователь уже руководствуется определенной гипотезой, дает возможность проверить гипотезу, уточнить и расширить ее до степени теории, установить физический закон, т. е. установить характер объективной зависимости между различными физическими величинами. Опыт (наблюдение, эксперимент, практика) является источником всех наших знаний.

Физические законы устанавливаются на основе обобщения опытных фактов и выражают объективные закономерности, существующие в природе. Эти законы обычно формулируются в виде количественных соотношений между различными величинами.

Основным методом исследования в физике является опыт, т. е. наблюдение исследуемого явления в точно контролируемых условиях, позволяющих следить за ходом явления и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Экспериментально могут быть вызваны явления, которые естественно в природе не наблюдаются. Например, из числа известных в настоящее время химических элементов более десяти в природе пока не обнаружены и были получены искусственным путем с помощью ядерных реакций.

На основе накопленного экспериментального материала строится предварительное научное предположение о механизме и взаимосвязи явлений - создается гипотеза. Гипотеза - это научное предположение, выдвигаемое для объяснения какого-либо факта или явления и требующее проверки и доказательства для того, чтобы стать научной теорией или законом. Правильность высказанной гипотезы проверяется посредством постановки соответствующих опытов, путем выяснения согласия следствий, вытекающих из гипотезы, с результатами опытов и наблюдений. Успешно прошедшая такую проверку и доказанная гипотеза превращается в научный закон или теорию.

Физическая теория представляет собой систему основных идей, обобщающих опытные данные и отражающих объективные закономерности природы. Физическая теория дает объяснение целой области явлений природы с единой точки зрения.

Вся история науки показывает, что процесс познания материального мира не заканчивается каждым таким кругом - от опыта к теории и от теории обратно к опыту. Очень скоро обнаруживаются новые области явлений и накапливаются факты, объяснение которых не укладывается в рамки существующих теорий и требует выдвижения новых гипотез.

Научное исследование является единством теории и практики при решающей роли практики и ведущей роли теории. Без теоретических обобщений, без указаний теории о разумном направлении экспериментов невозможно движение науки вперед. Развитие теоретических представлений происходит посредством замены одних устаревших теорий другими, более совершенными, которые по-новому, точнее объясняют возросший круг изученных явлений и в то же время сохраняют в себе все зерна истины, имевшиеся в старых теориях.

Цели, которые ставятся при изучении физики в вузах, многообразны. Важнейшая из них состоит в ознакомлении с основными физическими явлениями, их механизмом, закономерностями и практическими приложениями. Этим закладывается физическая основа для изучения последующих общетехнических и специальных дисциплин. Этими главнейшими задачами и определяются выбор основных изучаемых разделов физики и объем их изложения.

То обстоятельство, что изучение физики начинается с изучения механического движения тел, не случайно и обусловлено не только исторической последовательностью развития физики. Несмотря на то, что механическое движение представляет собой самую простую форму движения, к современному его представлению шли долго. Особую роль в становлении классической механики играли исследования И. Ньютона.

Перед формулировкой основных законов механики Ньютон уточняет основные понятия, необходимые для их определения. Одно из основных следствий законов механики гласит: «Относительные движения друг по отношению к другу тел, заключенных в каком-либо пространстве, одинаковы, покоится ли это пространство или движется равномерно и прямолинейно без вращения». В другом месте Ньютон утверждает: «Может оказаться, что в действительности не существует покоящегося тела, к которому можно было бы относить места и движения прочих», и, таким образом, он считает, что наблюдаемые нами движения относительны и абсолютного движения не существует. Но он знает также, что ускоренное движение системы отсчета проявляется динамически, вызывая явление инерции.

Ньютон принимает, что в природе существует абсолютный покой, абсолютно неподвижная система отсчета. Это пустое однородное неподвижное пространство атомистов и Евклида - чистое вместилище всех вещей. Существенно, что наряду с абсолютным пространством Ньютон признает и абсолютное время, текущее само по себе, безотносительно к каким-либо процессам. Вот как он определяет абсолютное и относительное время и пространство.

«I. Абсолютное , истинное математическое время само по себе и по самой своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Абсолютное время различается в астрономии от обыкновенного, солнечного времени, уравнением времени.

Относительное , кажущееся, или обыденное, время - есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами, внешняя, совершаемая при посредстве какого-либо движения мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как-то: час, день, месяц, год». Наше измерение времени, как несовершенное, повседневное (от зари до зари), так и точное, астрономическое время, дает нам относительное, или обыденное, время, основанное на наблюдаемых нами движениях. Эти движения, даже вращение Земли, могут быть не вполне равномерными, в то время как истинное математическое время течет само по себе абсолютно равномерно. Постигая относительное время, конструируя все более и более точные часы, мы имеем в виду недостижимый идеал, истинное, абсолютное время.

«II. Абсолютное пространство по самой своей сущности безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.

Относительное пространство есть его мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное: так, например, протяжение пространства подземного воздуха или надземного, определяемых по их положению относительно Земли»

«III. Место есть часть пространства, занимаемого телом, и по отношению к пространству бывает или абсолютным, или относительным»

«IV. Абсолютное движение есть перемещение тела из одного абсолютного его места в другое, относительное - из относительного в относительное же».

Из приведенных определений Ньютона вытекает, что:

1) пространство и время обладают объективной реальностью; это правильно;

2) пространство и время не связаны органически с материей; это неверно. Такой подход к понятиям о пространстве и времени метафизичен. Концепция абсолютного пространства- времени, оторванного от материальных тел и реальных процессов,- метафизична. Ньютон сам упорно стремился преодолеть отмеченную выше метафизичность сделанных им определений пространства и времени. Ньютон видел, что для преодоления метафизичности необходимо установить связь пространства и времени с материей. Но из-за тогдашнего невысокого уровня научных познаний выводы Ньютона, правильные по существу, еще не имели должной широты.

Но, несмотря на это, важно, что основой классической физики были законы, установленные Ньютоном для движения тел в абсолютном евклидовом пространстве. По принципу относительности это пространство представлялось любой системой отсчета, в которой не проявляется ощутимым образом действие инерционных сил. То обстоятельство, что абсолютное пространство не ощущается нашими чувствами, ни в какой мере не поколебало убежденности Ньютона в том, что понятия об абсолютном пространстве и абсолютном времени должны быть положены в основу механики. Объективная реальность абсолютного пространства и абсолютного времени для Ньютона не подлежала сомнению, поэтому и к понятиям «покой» и «равномерность» Ньютон относился, как к понятиям, выражающим объективную реальность, вне зависимости от того, легко или трудно нам распознать эту реальность. Ньютон говорит: «Может оказаться, что в природе не существует покоящегося тела, к которому можно было бы относить места и движения прочих Возможно, что не существует в природе такого равномерного движения, которым время, могло бы измеряться с совершенной точностью». Ньютон считает, что эти вопросы должны быть исследованы и изучены. Не останавливаясь ни перед какими трудностями, Ньютон видел задачу механики и физики в «нахождении истинных движений тел по причинам, их производящим, по их проявлениям и по разностям кажущихся движений».

Многие вопросы, возникающие сразу после рождения нового физического понятия, проясняются постепенно, по мере развития физики. Это приводит дальше к расширению и уточнению идей ученых.

Во второй половине XIX в. была создана теория электромагнитного поля, открыты и изучены электромагнитные волны. На этой базе началось бурное развитие радиотехники. Созданная во второй половине XIX века молекулярно-кинетическая теория исходила из положения, что все тела построены из мельчайших частичек, находящихся в непрерывном движении. Эти частички были названы атомами, что по-гречески значит «неделимые». Однако уже в конце XIX века были обнаружены испускаемые атомами еще более мелкие (по массе) частички - отрицательно заряженные электроны. Экспериментальное открытие электрона, радиоактивности, термоэлектронной эмиссии (испускание нагретыми металлами электронов), фотоэффекта (вырывание электронов из металлов под действием света) и других явлений - все это указывало на то, что атом вещества является сложной системой, построенной из более мелких частиц. Перед физикой встала проблема строения атома. И в начале XX века было доказано, что атом имеет ажурное строение, а в центре его расположено положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома.

Начало XX столетия ознаменовалось созданием теории относительности, которая стала ведущей теорией движений со скоростями, близкими к скорости света, и явилась основой методов расчета ускорителей заряженных частиц, применяемых в современной ядерной технике. Этот период характеризуется настойчивыми попытками проникнуть во внутреннее строение атомов. Ключом к выяснению строения атомов послужило изучение атомных спектров. Первый разительный успех в объяснении наблюдаемых спектров принесла теория атома, развитая Нильсом Бором в 1913 г. Однако эта теория носила явные черты непоследовательности: наряду с подчинением движения электрона в атоме законам классической механики, она налагала на это движение специальные квантовые ограничения. За эту непоследовательность теории вскоре пришлось расплатиться. После первых успехов в объяснении спектра простейшего атома - водорода - обнаружилась неспособность теории Бора объяснить поведение атомов с двумя и большим числом электронов.

Назрела необходимость создания новой целостной теории атомов. Начало созданию такой теории было положено в 1924 г. смелой гипотезой Луи де Бройля. К тому времени было известно, что свет, будучи волновым процессом, вместе с тем в ряде случаев обнаруживает корпускулярную природу, т. е. ведет себя как поток частиц. Введя представление об испускании света отдельными порциями - квантами, Макс Планк (1858-1947) в 1900 г. решил задачу об излучении абсолютно черного тела. Таким образом, на пороге XX столетия появилось понятие кванта, играющее в современной физике исключительно важную роль и приведшее к созданию квантовой механики.

Де Бройль высказал мысль, что и частицы вещества, в свою очередь, должны обнаруживать при определенных условиях волновые свойства. Гипотеза де Бройля вскоре получила блестящее экспериментальное подтверждение: было доказано, что с частицами вещества связан некий волновой процесс, который должен быть учтен при рассмотрении механики атома. Результатом этого открытия было создание Э. Шредингером и В. Гейзенбергом новой физической теории - волновой или квантовой механики. Квантовая механика достигла поразительных успехов в объяснении атомных процессов и строения вещества. В тех случаях, когда удалось преодолеть, математические трудности, были получены результаты, превосходно согласующиеся с опытом.

Последние 100 лет внесли существенные изменения в положение физики среди других наук о природе. В 1919 г. удалось впервые расщепить атомное ядро и показать сложность его строения. Были открыты многочисленные новые так называемые элементарные частицы (протон, нейтрон, гипероны, мезоны, нейтрино), и было показано, что они способны превращаться друг в друга. Используя современные сверхмощные ускорители ядерных частиц, в 1956 г. удалось получить новые, ранее не наблюдавшиеся и лишь теоретически предсказанные физиками частицы - антипротон, антинейтрон и др.

С каждым таким открытием непрерывно расширялись и углублялись представления о строении вещества и взаимодействии элементарных частиц, и возникала необходимость в создании новых гипотез и развитии новых теорий. Последние годы ознаменовались большими достижениями в области физики элементарных частиц, термоядерного синтеза, квантовой электроники, физики твердого тела и т. д.

Итак, начало XX века ознаменовалось в физике коренной ломкой целого ряда привычных понятий и представлений о строении вещества. Человек все более и более глубоко проникает в сущность окружающего его материального мира.

Толчком к развитию физики, как и всех других наук, послужили практические требования людей. Механика древних египтян и греков возникла непосредственно в связи с теми запросами, которые были поставлены тогдашней строительной и военной техникой. Также под влиянием развивающейся техники и военного дела были сделаны крупные научные открытия конца XVII и начала XVIII столетий.

Основоположник русской физики и химии М. В. Ломоносов сочетал свою научную работу с требованиями практики. Его многочисленные и разнообразные исследования по природе твердых и жидких тел, оптике, метеорологии, атмосферному электричеству были связаны с теми или другими практическими задачами.

В начале XIX столетия применение паровых машин сделало необходимым решение вопроса о наиболее выгодном превращении тепла в механическую работу. Этот вопрос не мог быть решен при узкотехническом подходе. После того как в 1824 г. французский инженер Сади Карно в общем виде рассмотрел проблему о переходе тепла в работу, можно было действительно увеличить коэффициент полезного действия тепловых машин. Одновременно работа Карно послужила фундаментом для возникновения общего учения о передаче и превращении энергии, получившего впоследствии название термодинамики. Таким образом, требования практики приводят к новым физическим открытиям, а эти последние служат базой для дальнейшего развития техники. Нередко, весьма теоретические, и отвлеченные на первый взгляд физические открытия со временем находят самые разнообразные и важные технические применения. Открытие в 1831 г. Фарадеем электромагнитной индукции сделало возможным широкое практическое использование электрических явлений. Открытый в 1869 г. Д. И. Менделеевым периодический закон не только сыграл исключительную роль в развитии учения об атомах и природе химических явлений, но и является руководящим при решении огромного количества практических задач химии и физики.

В семидесятых годах прошлого столетия Максвелл создал общую теорию электромагнитных процессов. Исходя из этой теории, он пришел к выводу о возможности распространения электромагнитной энергии в виде волн. В 1888 г. Герц экспериментально подтвердил правильность этого вывода Максвелла. Несколькими годами позже открытие Максвелла - Герца было использовано А. С. Поповым для осуществления радиотелеграфии. В свою очередь развитие радиотехники открыло перед физиками новые, исключительно широкие экспериментальные возможности в изучении свойств природы. Теория Максвелла является фундаментом почти всех разделов электротехники и радиотехники

Исследования А. Г. Столетова по «актино-электрическим» явлениям (1888-1889) сыграли существенную роль в выяснении природы фотоэлектрического эффекта, широко применяемого в современной технике (телевидение, автоматика и т. д.).

В настоящее время исключительно важные проблемы, которые способны в корне изменить технику, как, например, непосредственное практическое использование солнечной энергии или получение энергии за счет термоядерных реакций требуют для своего решения дальнейшего глубокого изучения физических явлений. Решение принципиальных проблем физики элементарных частиц, которые имеют тесную связь с проблемой ядерных сил, решение проблемы управляемых термоядерных реакций в настоящее время являются передним краем наступательного фронта физических наук.

Связь физики с другими науками. Физика теснейшим образом связана с философией. Крупнейшие открытия в области физики, такие, как законы сохранения в механике, закон сохранения и превращения энергии, второй закон термодинамики и др., всегда являлись ареной острой борьбы между материализмом и идеализмом. В начале нашего столетия, в связи с потоком открытий современной физики, эта борьба стала особенно ожесточенной. Идеалистически настроенные физики и философы пытались и пытаются поныне использовать конкретные достижения физики, ломку установившихся физических теорий и представлений для «ниспровержения» материализма. Верные философские выводы из научных открытий в области физики всегда подтверждали и подтверждают основные положения диалектического материализма. Поэтому изучение этих открытий и их философское обобщение играют важную роль в формировании подлинно научного мировоззрения.

Последние 100 лет внесли существенные изменения в положение физики среди других наук о природе. В этот период физика развивалась такими темпами и достигла таких результатов, каких не знала ни одна из других естественных наук за всю историю своего существования. Остановимся кратко на связи ядерной физики с некоторыми другими науками.

Астрофизика наших дней исследует много таких проблем, успешное решение которых возможно лишь в том случае, если она будет опираться на достоверные законы физики.

Проблема генерирования энергии в недрах Солнца и других звезд при высоких температурах и проблема эволюции звезд тесно связаны с проблемой термоядерных реакций, протекающих в недрах звезд. Решение проблемы о возрасте космических объектов: метеоритов, Солнца, звезд, Галактики и доступной нам части Вселённой, по-видимому, должно проводиться с учетом периодов распада долгоживущих и «не имеющих родителей» радиоактивных элементов, например таких, как 92 U 238 , 19 K 40 и т.д.

Проблема происхождения космических лучей, проблема «рождения пар» частиц в космических условиях и многие другие также находятся в тесной связи с проблемами ядерной физики.

Геология, геофизика. Решение вопроса об истории Земли тесно связано с исследованиями естественной радиоактивности. Для определения абсолютного возраста Земли и разных ее слоев широко используются радиоактивные методы. Если определить соотношение между количеством радиоактивного элемента (урана) и количеством устойчивых продуктов распада (свинец, гелий) в исследуемой горной породе, то это даст возможность вычислить возраст исследуемой породы.

Тепловая история Земли и вопросы современного теплового состояния ее недр также тесно связаны с проблемами естественной радиоактивности. В настоящее время широко применяется радиометрическая аппаратура при разведке и разработке урановых и ториевых месторождений, в геофизических методах поисков и разведки нефти, угля и других ископаемых.

Археология. Метод изучения радиоактивности предметов нашел применение в определении возраста археологических находок, в. получении важных сведений об историческом прошлом человечества по этим вещественным историческим находкам. Это важное «поручение» - рассказать о прожитых веках - выполняет радиоактивный изотоп углерода 6 С 14 .

Под действием нейтронов космического излучения некоторая часть ядер азота земной атмосферы превращаются в ядра радиоактивного углерода 6 С 14 . На протяжении тысячелетней истории Земли концентрация углерода в атмосфере оставалась практически постоянной. Они входят в состав органических соединений путем усвоения углекислого газа зелеными листьями. Если растение, например дерево, погибает и перестает поглощать соединения углерода из атмосферы, то содержание радиоактивного углерода постепенно уменьшается, так как он распадается с периодом полураспада 5568 лет. Через 5568 лет активность (количество) углерода 6 С 14 в угле уменьшается в два раза и т. д.

Химия. В результате развития ядерной физики были искусственно получены новые заурановые элементы, которые не встречаются в природе. Большим и важным разделом современной химии является радиохимия, которая изучает химические и физико-химические свойства радиоактивных элементов, разрабатывает методы выделения и концентрирования радиоактивных изотопов.

Медицина. Естественные и искусственно полученные радиоактивные изотопы нашли широкое применение в медицине для диагностики и лечения некоторых заболеваний. Методом меченых атомов установлено, что кальций входит не только в кости, но и в нервную систему, цинк играет важную роль в образовании инсулина и в деятельности белых кровяных шариков. Радиоактивный фосфор используется для диагностики заболеваний крови, опухоли печени, заболеваний кожи.

Границы между физикой и некоторыми" другими естественными науками не могут быть установлены резко. Существуют обширные пограничные области между физикой и химией, возникли даже особые науки: физическая химия и химическая физика. Области знания, где физические методы применяются для изучения более или менее частных вопросов, также соединяются в особые науки: так возникла например, астрофизика, изучающая физические явления, в небе, и геофизика, изучающая физические протекающие в атмосфере Земли и в земной коре. Физические открытия часто давали толчок к развитию других наук. Изобретение микроскопа и телескопа ускорило развитие биологии и астрономии. Открытый физиками спектральный анализ стал одним из основных методов, астрофизики и т. д.

Известно, что развитие науки и техники определяется экономическими потребностями общества. Технический уровень производства в значительной степени зависит от состояния науки. История развития физики и техники показывает, какое большое значение имели открытия в физике для создания и развития новых отраслей техники. Физика явилась фундаментом, на котором выросли такие новые области техники, как электро- и радиотехника, электронная и вычислительная техника, приборостроение, ядерная техника и др. Физики вооружают промышленность принципиально новыми приборами и установками, создают основы новых, более совершенных методов производства. Быстро развилась физика полупроводников, почти немедленно получившая практическое приложение в технике полупроводниковых устройств и приборов.

Краткий методический анализ разделов физики. Механика. В современной физике основные понятия классической механики не утратили своего значения, а получили лишь дальнейшее развитие, обобщение и критическую оценку, с точки зрения пределов их применимости. При изложении физических основ механики следует избегать абстрактности механических представлений, максимально сближая теорию с реальными физическими явлениями и конкретной природой действующих сил. Ясная физическая и философская интерпретация представлений классической механики в современной физике должна явиться основным руководящим началом при изучении этого раздела программы курса физики.

В начале изложения кинематики точки и поступательного движения твердого тела следует остановиться на тех представлениях о свойствах пространства и времени, которые лежат в основе классической (ньютоновской) механики. В классической механике пространство и время рассматриваются как объективные формы существования материи, но в отрыве друг от друга и от движения материальных тел. Ньютон полагал, что тела и их движение не влияют ни на ход времени, одинаковый во всех инерциальных системах отсчета, ни на свойства пространства, описываемые геометрией Евклида. В ньютоновской механике признается возможность мгновенной передачи взаимодействий между телами.

При изложении кинематики необходимо использовать математический аппарат векторной алгебры и дифференциального исчисления. Следует получить выражения для касательной и нормальной составляющих ускорения материальной точки в криволинейном движении и ввести понятие о радиусе кривизны траектории (на примере плоской траектории).

Колебания здесь рассматриваются, как один из видов движения, наравне с прямолинейным и вращательным движениями. Для колебательного движения, как вида движения, необходимо ввести все кинематические характеристики – скорость, ускорение и т.д. Такое изложение приводит к значительной экономии времени и на математической стороне дела и в то же время позволяет наглядно сравнивать физические процессы, происходящие при соответствующих движениях. Это способствует выработке у студентов единого подхода к движениям различной физической природы. Везде, где возможно, следует использовать графический метод представления гармонического колебания с помощью вращающегося вектора. Нужно разъяснить студентам, что любые колебания линейной системы всегда можно представить в виде суперпозиции одновременно совершающихся гармонических колебаний с различными частотами, амплитудами и начальными фазами. Рассматривая резонанс при вынужденных колебаниях, необходимо обсудить это явление с энергетической точки зрения.

Изложение динамики материальной точки и поступательного движения твердого тела должно быть развитием и углублением соответствующего раздела курса физики средней школы. Внимание нужно сосредоточить на таких вопросах, как закон движения центра масс механической системы, закон сохранения импульса и условия сохранения проекции импульса на ось, работа силы, ее выражение через криволинейный интеграл и условие независимости работы от формы траектории, связь кинетической энергии механической системы с работой сил, приложенных к этой системе. Особенно тщательно и неторопливо следует излагать вопросы о поле как форме материи, осуществляющей взаимодействие между частицами вещества или телами, о потенциальной энергии материальной точки во внешнем поле (в частности, нужно рассмотреть энергию в поле центральных сил) и о законе сохранения механической энергии.

Кинематические характеристики вращательного движения твердого тела и их связь с линейными характеристиками целесообразно рассматривать непосредственно перед динамикой вращательного движения. Имеет смысл ввести понятие о моменте силы и моментеимпульса механической системы относительно неподвижной точки и оси.

Законы сохранения импульса, момента импульса и механической энергии обычно выводят, основываясь на законах Ньютона. Поэтому очень важно обратить внимание студентов па то, что в отличие от законов Ньютона и построенной на них классической механики, имеющих ограниченные области применимости, законы сохранения являются универсальными законами, которые отражают фундаментальные свойства симметрии пространства и времени. Для иллюстрации универсальности законов сохранения и эффективности их использования при решении реальных физических задач можно применить эти законы к расчету удара двух тел.

При изучении темы о неинерциальных системах отсчета и силах инерции нужно обратить внимание студентов на то, что два основных положения ньютоновской механики, согласно которым ускорение всегда вызывается силой, а сила всегда обусловлена взаимодействием между телами, не выполняются одновременно в системах отсчета, движущихся с ускорением. Полезно обсудить вопрос о том, являются ли силы инерции «реальными» или «фиктивными».

Молекулярная физика и термодинамики. В начале изложения этого. раздела курса необходимо разъяснить студентам два качественно различных и взаимно дополняющих друг друга метода исследования физических свойств макроскопических систем - статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Первый лежит в основе молекулярной физики, второй - термодинамики. Нужно отметить, что свойства огромной совокупности молекул отличны от свойств каждой отдельной молекулы. Даже если, как это делается в классической статистической физике, базирующейся на механической картине мира, можно считать, что каждая молекула движется по законам ньютоновской механики, совокупное движение огромного коллектива молекул обладает специфическими закономерностями. Свойства макроскопической системы, в конечном счете, определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и средними значениями динамических характеристик этих частиц.

Говоря о термодинамическом методе, необходимо четко сформулировать определения таких основных понятий термодинамики, как термодинамическая система, термодинамические параметры (параметры состояния), равновесное состояние, уравнение состояния, термодинамический процесс, внутренняя энергия и т. д. Следует подчеркнуть, что термодинамика, в отличие от молекулярной физики, не связана с какой-либо конкретной физической картиноймира. Она основывается на нескольких универсальных принципах - началах термодинамики, надежно подтвержденных экспериментами. В этом, с одной стороны, сила термодинамического метода, пригодного дляанализасамых различных физических систем, а с другой - его слабость. Например, методами термодинамики нельзя вывести, уравнениесостояния системы, нельзя обосновать существование флуктуациии т.д.

Переходя к рассмотрению молекулярно-кинетической теории идеального газа, необходимо специально остановиться на той роли, которую играет в молекулярной физике модель рассматриваемой системы. Следует подчеркнуть, что выбор этой модели зависит не только от специфических особенностей системы, но и от того, какие ее свойства исследуются. Например, при расчете давления газа на стенки сосуда можно, в первом приближении, принять молекулы газа как упругие шарики малого размера, беспорядочно движущиеся в сосуде и сталкивающиеся только с его стенками. В то же время для объяснения процессов установления равновесного распределения молекул газа, а также закономерностей явлений переноса совершенно необходимо учитывать столкновения молекул друг с другом, хотя при этом по-прежнему можно пренебрегать их собственным объемом. В этой связи весьма поучительно сопоставить на лекции значения суммарного собственного объема и суммарной площади поверхности всех молекул газа, находящихся в сосуде, соответственно с объемом сосуда и площадью поверхности его стенок. Наконец, в молекулярно-кинетической теории теплоемкости газа необходимо уже учитывать внутреннюю структуру молекул. Для объяснения отличия свойств реальных и идеальных газов необходимо дальнейшее уточнение модели газа с тем, чтобы она учитывала действие сил взаимного притяжения и отталкивания молекул, как это сделано, например, в модели газа Ван-дер-Ваальса.

Следует достаточно обстоятельно рассмотреть такие вопросы, как молекулярно-кинетическая теория идеальных газов и ее ограниченность, границы применимости закона равнораспределения энергии, законы распределения Максвелла и Больцмана.

Первое начало термодинамики целесообразно сформулировать и записать для малого изменения состояния закрытой системы, т. е. системы, обменивающейся энергией с внешней средой только путем теплообмена и совершения работы. Необходимо разъяснить студентам, что внутренняя энергия в отличие от теплоты и работы является функцией состояния. Используя выражение для внутренней энергии идеального газа, полученное от молекулярно-кинетических представлений, следует записать уравнение первого начала термодинамики для идеального газа, а затем применить этот закон к расчету трех изопроцессов и адиабатного процесса идеальных газов. В заключение можно рассмотреть политропный процесс. Очень полезно приучать студентов к изображению и распознаванию всевозможных политропных процессов в различных термодинамических диаграммах. В особой тщательности изложения нуждается второе начало термодинамики и его статистическое толкование, а также понятие энтропии. Очень полезно привести несколько различных формулировок второго начала термодинамики и показать, что они полностью эквивалентны. Вряд ли целесообразно излагать доказательство теоремы Карно о независимости КПД обратимого цикла Карно от природы рабочего тела. Следует найти выражение для энтропии идеального газа и показать на этом примере, что энтропия в отличие от количества теплоты является функцией состояния.

Электричество и магнетизм. В электростатике, а затем в электродинамике впервые в курсе физики более или менее серьезно с соответствующим математическим аппаратом рассматривается теория поля. Следует обратить внимание студентов на связь теоремы Остроградского - Гаусса с законом Кулона и геометрическими свойствами пространства. Под этим же углом зрения целесообразно подходить к вопросу о распределении зарядов в проводниках, находящихся в электростатическом поле. Излагая закон сохранения электрического заряда, нужно вновь подчеркнуть роль и значение законов сохранения в физике. Не следует увлекаться расчетами сложных полей методом суперпозиции. Рекомендуется обратить основное внимание на физический смысл потенциала и его связь с напряженностью поля, на графическое представление и анализ зависимостей напряженности и потенциала от координат для электростатических полей, создаваемых простейшими симметричными системами зарядов.

Особого внимания заслуживает круг вопросов, связанных с расчетом электростатического поля в диэлектрических средах. Необходимо ввести классификацию зарядов на свободные и связанные, рассмотреть механизм и рассчитать поляризацию диэлектриков с неполярными и полярными молекулами. Электрическое смещение целесообразно ввести в связи с доказательством теоремы Остроградского - Гаусса для электростатического поля в диэлектрической среде (обычно это делают на примере поля в диэлектрической среде с неполярными молекулами). Далее рекомендуется получить условия, которым удовлетворяют векторы напряженности поля и электрического смещения на границе раздела двух диэлектрических сред, и рассмотреть примеры расчета напряженности и потенциала электростатического поля в диэлектрике. Можно ограничиться качественным феноменологическим описанием свойств сегнетоэлектриков.

При изложении вопроса об энергии заряженных проводников и конденсатора нужно указать, что, оставаясь в рамках электростатики, нельзя однозначно решить вопрос о локализации этой энергии. Целесообразно везде, где возможно, пользоваться законом сохранения и превращения энергии.

Раздел курса о постоянном токе не следует излишне растягивать на лекциях. При изложении классической электронной теории проводимости металлов нужно рассказать как о достижениях этой теории, так и о трудностях. В связи с законом Ома необходимо дать четкое разграничение таких понятий, как разность потенциалов, электродвижущая сила и электрическое напряжение. Следует также ввести точечные электрические характеристики и сформулировать законы постоянного тока в дифференциальной форме.

В качестве основной характеристики магнитного поля следует вводить магнитную индукцию, основываясь на силовом действии магнитного поля либо на небольшой элемент проводника с током, либо на небольшой замкнутый контур с током. Напряженность магнитного поля целесообразно вводить значительно позднее при изучении магнитного поля в веществе. Не следует увлекаться сложными расчетами магнитных полей на основе закона Био- Савара - Лапласа. Важно подчеркнуть, что для магнитных полей выполняется принцип суперпозиции. Закон полного тока для поля в вакууме и теорему Остроградского - Гаусса достаточно показать на примере магнитного поля прямолинейного проводника с током.

Рассматривая действие магнитного поля на движущийся заряд, нужно уделить особое внимание вопросу о релятивистском толковании магнитного взаимодействия, а также анализу закономерностей движения заряженных частиц в магнитном поле и практическому использованию этих закономерностей в ускорителях, МГД-генераторах, масс-спектрометрах и т. д.

Закон электромагнитной индукции Фарадея - Максвелла достаточно рассмотреть качественно, на основе опытов. Во втором случае необходимо остановиться на том, за счет какой энергии совершается работа индукционного тока. Весьма поучительно обсудить возникновение ЭДС электромагнитной индукции и индукционного тока в неподвижном проводящем контуре, находящемся в переменном магнитном поле.

При рассмотрении магнитных свойств вещества нужно остановиться на гипотезе молекулярных токов Ампера, а также ввести понятие макро- и микротоков и намагниченности. Рассматривая элементарную теорию диа- и парамагнетизма, следует указать на невозможность всякой классической теории магнитных свойств вещества. Напряженность магнитного поля целесообразно ввести в связи с обобщением закона полного тока на магнитное поле в веществе (обычно это делают на примере поля в диамагнитной среде). Затем рекомендуется получить условия, которым удовлетворяют магнитная индукция и напряженность магнитного поля на границе раздела двух сред. Изложение свойств ферромагнетиков должно носить феноменологический характер.

В заключение нужно рассмотреть основы теории Максвелла для электромагнитного поля. При этом особое внимание следует обратить на физический смысл тех обобщений экспериментально установленных законов, которые были сделаны Максвеллом. Необходимо подчеркнуть относительный характер электрической и магнитной составляющих электромагнитного поля, т. е. их зависимость от выбора инерциальной системы отсчета.

Оптика и основы ядерной физики. Волновая оптика излагается как часть общего учения о распространении волн. Следует подчеркнуть общность явлений интерференции и дифракции волн любой природы. Изложение этих явлений должно подготовить студента к пониманию основ квантовой механики. Наряду с общими волновыми свойствами нужно отметить специфические особенности световых волн и их практические приложения. Когерентность и монохроматичность должны быть связаны с конечной длительностью свечения отдельного атома. Расчет интерференции многих волн полезно вести с помощью графического метода. Следует сопоставить способы наблюдения линий равного наклона и равной толщины.

Необходимо четко сформулировать условия наблюдения дифракции. При изложении принципа Гюйгенса - Френеля его нужно рассматривать как расчетный прием, заменяющий строгое, но очень трудное решение волнового уравнения. При рассмотрении излучения Вавилова - Черенкова нужно указать, что это классическое явление можно истолковывать на основе представлений об интерференции света. Объяснение двойного лучепреломления надо проводить на основе электромагнитных представлений и с учетом анизотропии электрических свойств кристаллов. Необходимо подчеркнуть значение поляризационных эффектов для экспериментального доказательства поперечности световых волн, а также обратить внимание на их практическое применение.

Проблема теплового излучения - важный этап в формировании научного мировоззрения студентов, так как с теорией равновесного излучения абсолютно черного тела связан переход от классической физики к квантовой. Важно подчеркнуть согласие классической теории с опытом в области малых частот и расхождение в области больших частот. Необходимо рассмотреть гипотезу Планка о квантовании энергии осцилляторов. Полный вывод средней энергии осциллятора и формулы Планка на основе этой гипотезы приводить не обязательно. Необходимо показать, что при малых частотах она переходит в классическую формулу Рэлея - Джинса.

После анализа трудностей классической физики в истолковании законов внешнего фотоэффекта нужно остановиться на гипотезе Эйнштейна о «световых квантах», позднее названных фотонами, т. е. о дискретной структуре излучения.

При изложении светового давления необходимо остановиться на опытах П. Н. Лебедева, являющихся образцом экспериментального искусства и сыгравших большую роль в утверждении электромагнитной теории света. Следует качественно пояснить.возникновение светового давления с классической (волновой) точки зрения и вывести формулу для давления на основе квантовых представлений. Эффект Комптона нужно рассматривать как наиболее полное и яркое представление корпускулярных свойств излучения. Он подтверждает универсальный характер законов сохранения.

Анализ двойственности свойств света должен подготовить студентов к восприятию двойственности свойств вещества. Важно подчеркнуть статистический характер попадания фотонов в отдельные точки экрана. Обсуждая опыты по дифракции электронов, нужно подчеркнуть их значение как доказательство существования у частиц вещества волновых свойств. Соотношение неопределенностей следует рассматривать в связи с корпускулярно-волновым дуализмом свойств материи. Следует подчеркнуть физический смысл соотношения неопределенностей как квантового ограничения применимости понятий классической механики. Затем необходимо рассмотреть соотношение неопределенностей для энергии и времени. В заключение нужно указать, что из соотношения неопределенностей вытекает необходимость описания состояния микрообъекта с помощью волновой функции, и разъяснить статистический смысл волновой функции частицы.

Физика атомного ядра. Говоря о составе ядра и его характеристиках, целесообразно, если позволяет время, начать с характеристики экспериментальных методов определения массы, линейных размеров, момента импульса и магнитного момента ядер атомов. Очень важно привести аргументацию невозможности существования электронов в ядрах атомов. Говоря о составе ядра и взаимодействии нуклонов в ядре, нужно рассмотреть свойства ядерных сил и остановиться на их обменной природе. Дефект массы должен трактоваться как разность между массой атома данного изотопа и его массовым числом, т. е. числом нуклонов в ядре. Надо указать на существование зависимости удельной энергии связи ядер (энергии связи, отнесенной к одному нуклону) от массового числа.

Рассматривая α-распад ядер, следует остановиться на квантовом механизме этого явления, служащего примером проявления туннельного эффекта. Важно обратить внимание студентов на дискретный характер энергетического спектра α-частиц и γ-излучения, свидетельствующий о квантовании энергии ядер. Необходимо специально остановиться на тех трудностях, которые возникли в согласовании закономерностей β-распада с законами сохранения энергии и момента импульса, и на том, что выход из этих трудностей был найден путем введения гипотезы о существовании нейтрино.

Рассмотрение ядерных реакций целесообразно начать с описания опыта Резерфорда и открытия искусственной радиоактивности. В этой связи нужно кратко остановиться на явлениях радиоактивности ядер, а также на явлении электронного захвата. Следует подчеркнуть, что во всех ядерных реакциях выполняются законы сохранения энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда (зарядового числа) и массы (массового числа). Особое внимание нужно уделить реакции деления тяжелых ядер и ее энергетическому балансу. Для обоснования реакции деления целесообразно использовать капельную модель ядра Н. Бора-Л И. Френкеля. В связи с рассмотрением ядерных реакций синтеза следует остановиться на проблеме осуществления управляемых термоядерных реакций. Необходимо подчеркнуть огромное значение этой проблемы, так как ее решение откроет человечеству неисчерпаемый источник энергии.

В заключение нужно остановиться на четырех фундаментальных взаимодействиях, на классификации, основных свойствах и взаимных превращениях элементарных частиц, избегая при этом излишней перегрузки памяти студентов большим количеством фактических данных. Следует отметить, что современные представления физики по этим вопросам еще далеки от завершенности.