Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Билет 1. Физика и методы научного познания.
С древних времен люди искали различные объяснения тому, как устроен окружающий их мир, как он образовался, каков срок его существования, или, быть может, он вечен и неизменен, какие существуют связи между предметами и явлениями, и можно ли предсказать, что будет происходить в будущем.
Самым первым источником информации о мире было для них наблюдение. Они видели, что солнце восходит всегда на востоке, а заходит на западе, что день сменяет ночь, а лето - осень, что дождь не может идти с абсолютно чистого неба, что камни и другие предметы, лишенные опоры, всегда падают на землю, а звезды и планеты, наоборот, остаются на своих местах, перемещаясь по небосводу в соответствии со своими путями, и т. д. На основе этих наблюдений можно было делать первые выводы и обобщения, далеко не всегда верные, но даже современная наука не претендует на непогрешимость своих идей.
Очень важной частью научного метода познания является идея о том, что все события и явления (физическим явлением называется любой происходящий во Вселенной процесс: от взрыва сверхновой звезды до перемещения песчинки) связаны друг с другом причинно-следственной связью, т. е. ничто не может произойти просто так, вдруг, само по себе, у всего есть какая-то причина, а у каждой причины есть следствие (и не одно). Например, дождь идет потому, что вода под действием солнечного тепла испарилась, скажем, с поверхности океана, образовала облако, которое потом могло переноситься ветром, расти, пока, наконец, при определенных условиях не пролилось дождем. И если какая-нибудь хозяйка по причине собственной забывчивости не сняла при этом с веревки белье, то, как следствие, это белье под дождем промокнет.
Вторая важная идея о том, что в мире существуют какие-то незыблемые закономерности, которым все подчиняется, законы природы. Идея эта для древнего человека, обожествляющего силы природы, не самая простая. Поскольку различные божественные сущности, действиями которых объяснялось все происходящее в природе, были либо принципиально непознаваемы, либо рассуждали совсем как люди, о какой закономерности и постоянстве может идти речь, когда в любой момент высшие силы могут вмешаться и все изменить? Следовательно, сначала нужно было либо прийти к выводу, что никаких высших сил не существует, либо что они, сотворив этот мир, больше не вмешиваются в происходящее, нарушая законы природы.
Собственно, целью любой науки является постижение этих законов и нахождение способов практического использования полученных знаний.
Но выявить во всем многообразии явлений природы какие-либо закономерности не так просто. Тысячелетиями люди наблюдали за тем как яблоки, камни и прочие предметы падают на землю, но закон Всемирного тяготения открыл только Исаак Ньютон. Аристотель, например, объяснял падение тел на землю тем, что все, находящееся ниже орбиты Луны (в несовершенном, изменчивом подлунном мире) стремиться к центру этого мира, а в центре мира у него как раз находилась планета Земля. А то, что выше Луны (и сама Луна тоже) уже подчиняются совсем иным законам, двигаясь по неизменным орбитам, и потому на Землю не падают.
Оба эти представления можно назвать физическими теориями (теория в переводе с латинского означает предположение), любая теория это всего лишь попытка описать словами, или математическими формулами, найденные законы природы, она потому и называется предположением, что вовсе необязательно окажется в итоге верной. Собственно, в основе любой теории лежат ее постулаты (начальные утверждения), для теории Аристотеля это были: а) Земля находится в центре мира, б) в подлунном и надлунном мирах законы природы различны и др., для теории Ньютона: а) в центре мира находится Солнце, а Земля вращается вокруг него (Ньютон был последователем Коперника), б) все тела во Вселенной притягиваются друг к другу, и законы природы везде одинаковы.
Самое интересное, что хотя Ньютон и обладал гораздо большим багажом физических и математических знаний, нежели Аристотель, ни один из них не мог поручиться, что его постулаты абсолютно правильны. Представления о том, что в центре мира находится Солнце, существовали и при Аристотеле, просто система мира Птолемея ему понравилась больше, возможно была с его точки зрения более красивой. Кстати и Коперник склонялся к своей системе именно по этой причине, он хотел показать красоту и совершенство божественного замысла (ибо был вообще-то глубоко верующим католиком), а система мира Птолемея казалась ему слишком сложной и запутанной. Современные Копернику астрономические знания в противоречие с системой Птолемея пока не вступали. Строго говоря, систему Птолемея можно использовать и сегодня, немного усовершенствовав, и она с необходимой точностью будет описывать движение планет по небосводу.
Т. е. постулат для теории - ее основа и самое слабое место, потому что он выбирается из нескольких вариантов, ни про один из которых нельзя сказать, что он точно правильный.
Рис.1 Системы мира по Птолемею (слева) и по Копернику (справа).
Дальше теория обзаводится математическими формулами (это еще одна черта любой естественной науки, все, что она изучает можно измерить количественно, в метрах, в килограммах, в градусах, и посчитать) и следствиями, некоторые из которых можно проверить на практике. С помощью такой проверки и "отсеиваются" (или дополняются, если это возможно) неправильные теории. Например, используя теорию Аристотеля нельзя объяснить приливы и отливы (они вызываются притяжением воды океанов к Луне и Солнцу, а у него все притягивается к центру мира), зато теория Ньютона это прекрасно объясняет, и существует до сих пор.
Постепенно ученые пришли к выводу, что изучение законов природы с помощью только наблюдений себя не оправдывает. Потому как любое явление следствие не одного, а очень многих законов природы. Например, при ответе на вопрос, почему идет дождь, нам придется вспомнить несколько законов механики, изрядный кусок молекулярной физики, а еще электричество, оптику и атомную физику для полноты картины. И так во всем. Поэтому на смену наблюдениям, там, где это возможно, пришел эксперимент. Экспериментатор, в отличие от наблюдателя, "охотится" за конкретным законом или утверждением, о существовании которого у него уже есть гипотеза (это слово тоже означает предположение, но уже по-гречески), основанная на ранее полученной информации. Целью опыта является проверка гипотезы. Экспериментатор "не будет ждать милостей от природы" он сам выбирает явление, которое будет изучать, и постарается организовать опыт так, чтобы нужная закономерность играла главную роль, а остальные можно было бы либо вообще исключить, либо считать, что они очень слабо влияют на результат, либо попытаться их учесть. Например, есть у экспериментатора гипотеза, что чем тяжелее предмет, тем быстрее он падает на землю. Решив проверить эту гипотезу, он поднимается, скажем, на Останкинскую башню, и, установив вверху и внизу датчики, которые будут фиксировать время пролета мимо них предмета, начинает выбирать предметы, которые он будет кидать вниз, соображая, что еще, кроме притяжения к земле на них будет действовать. Во-первых, воздух: парашютист с раскрытым парашютом и парашютист с нераскрытым парашютом массу имеют одинаковую, а падают с существенно разной скоростью, следовательно, если у экспериментатора нет возможности построить короб высотой с Останкинскую башню, из которого можно было бы выкачать воздух, ему придется брать предметы строго одного размера, формы, гладкости, и т.д., для того, чтобы их аэродинамические характеристики, а значит и действие на них воздуха, были одинаковы (а еще лучше, если удастся сделать сопротивление воздуха настолько маленьким, что им можно было бы пренебречь). Далее он должен исключить из опытов магниты, так как они могут притягиваться к железным конструкциям башни, ну и т.д. Влиянием на падающие предметы изменений температуры, или магнитного поля Земли можно будет пренебречь. Далее экспериментатор проделает свой опыт с выбранными предметами (и не один раз), и на основе получившихся времен падения различных предметов сделает вывод о получившейся зависимости времени падения от массы (или, напротив, об отсутствии таковой). А потом сравнит результат с первоначальной гипотезой, если он все сделал правильно, гипотеза окажется неверной, а результат опыта - подтверждением закона Всемирного тяготения. В современной науке достоверными считаются только утверждения, проверенные на опыте.
Если более дотошно рассматривать описанный выше эксперимент, можно заметить, что экспериментатор, стремясь избавиться от дополнительных эффектов, которые не в состоянии учесть и правильно посчитать, решает не обращать на них внимание вовсе, считая их действие слабо влияющим на результат, это значит, что он использует, не точное описание событий, а приближенное. В данном случае такое приближение неплохо описывает ситуацию. Но будь оно слишком грубым, выводы экспериментатора могли бы быть слишком далеки от истины, например, если бы он, сравнивая время падения камня и пера в воздухе, решил, что силы сопротивления воздуха, действующие на оба предмета, равны.
Есть еще такое понятие как модель, это тоже приближение, которое описывает только те характеристики предмета или процесса, которые вам важны и не описывает менее существенные детали. Например, тело, размеры и форма которого не важны в данной задаче, можно описать материальной точкой (по сути, это точка, у которой есть масса).
Твердое тело - это тело, которое по условиям задачи перемещается как единое целое и сохраняет свою форму и размеры, например, книга, передвигаемая по столу.
С помощью модели идеального газа, можно достаточно полно описать, например, воздух в комнате.
Билет 2. Механическое движение и его виды. Прямолинейное равноускоренное движение.
Изменение с течением времени положения тела относительно других тел называется механическим движением.
Траектория – линия, по которой движется тело.
Путь - длина траектории.
В системе интернациональной расстояние измеряется в метрах (м).
Для определения положения тела в любой момент времени по отношению к другому телу, называемому телом отсчета, используется система отсчета.
Система отсчета – совокупность тела отсчета, связанной с ним системы координат и часов.
|
Виды механического движения |
|||
|
По прямой |
По окружности |
||
|
Равномерное |
Равноускоренное |
Равномерное |
Равноускоренное |
Движение по любой сколь угодно сложной траектории с любыми скоростями и ускорениями можно описать с помощью этих четырех видов движения.
Любая траектория с нужной точностью делится на участки, которые будут либо отрезками прямых, либо дугами окружностей разных радиусов. А любые промежутки траектории, на которых скорость менялась, можно поделить на участки, на которых ускорение можно с нужной точностью считать постоянным.
На рисунке траектория показана тонкой линией, а окружности, дуги и отрезки прямых - жирными линиями.
Прямолинейное равноускоренное движение.
Если движущееся тело за любые равные промежутки времени изменяет свою скорость на равные величины, говорят, что тело движется равноускоренно, т. е. с постоянным ускорением.
Ускорение тела находится по формуле:
,где ускорение, с которым движется тело;
скорость в момент времени t1;
скорость в момент времени t2;
Мы будем рассматривать только равноускоренное движение по прямой (вдоль оси ox).
Равноускоренное движение тогда будет описываться следующими уравнениями:
координата тела в момент времени t;
координата тела в начальный момент времени t = 0;
скорость тела в момент времени t;
скорость тела в начальный момент времени t = 0;
путь, пройденный телом за время t.
Билет 3. Принцип относительности Галилея.
Далеко не всегда система отсчета, которую мы используем для описания движения, тел будет находиться в покое. Наоборот, часто приходится, а иногда это даже удобнее, использовать движущуюся систему отсчета.
Инерциальной будет называться система отсчета, которая движется относительно неподвижной системы с постоянной скоростью.
Соответственно, в движущейся системе отсчета скорости тел будут отличаться от своих значений в неподвижной системе отсчета.
Рассмотрим пример, изображенный на рисунке. Здесь мы неподвижную систему отсчета К связали с человеком, стоящим на станции (назовем его Смотрителем), мимо него со скоростью u =70 км/ч, едет поезд, в окно которого смотрит другой человек, с ним мы свяжем движущуюся систему отсчета К’ и назовем его Пассажиром. А теперь попытаемся смотреть на мир то с точки зрения Смотрителя, то с точки зрения Пассажира.
Очевидно, что с точки зрения Смотрителя здание вокзала, рельсы со шпалами, елки стоят на месте (покоятся). А вот Пассажиру кажется, что они как бы убегают назад, т. е. для него все эти предметы будут иметь скорость 70 км/ч (т. к. оси 0x и 0x’ направлены вправо скорость будет положительной). Смотритель считает, что поезд движется мимо него со скоростью -70 км/ч ( - получается из-за того, что поезд едет влево, т. е. противоположно направлению оси 0x). А Пассажир думает, что поезд стоит на месте (ведь и сам Пассажир двигается вместе с поездом). Для Смотрителя пробегающие мимо волк и заяц имеют скорости 30 км/ч и 35 км/ч, соответственно, а лиса бежит со скоростью -25 км/ч. А каковы будут скорости этих животных в системе отсчета, связанной с Пассажиром? Для таких расчетов существуют формулы, позволяющие «переходить» из одной системы отсчета в другую:
,где
- скорость тела в неподвижной системе отсчета,
-скорость тела в движущейся системе отсчета,
- скорость движущейся системы отсчета в неподвижной системе.
С помощью первой из этих формул можно найти скорости волка, зайца и лисы в движущейся системе отсчета (с точки зрения Пассажира):
А если, например, белка движется со скоростью 55 км/ч в движущейся системе отсчета (с точки зрения Пассажира), мы можем, пользуясь второй формулой, найти ее скорость в неподвижной системе отсчета (с точки зрения Смотрителя):
.
Заметим, что эти формулы работают только в инерциальных системах отсчета.
Билет 4. Законы динамики.
Динамика – раздел физики, изучающий причины движения тел.
Законов динамики (они же - законы Ньютона) всего три.
I-й закон Ньютона
Всякое тело сохраняет состояние относительного покоя или прямолинейного равномерного движения до тех пор, пока на него не подействуют другие тела и не изменят его первоначального состояния.
Т.е., если на тело ничего не действует (в обычной жизни так не бывает, но представить такую ситуацию мысленно можно), оно либо не двигается, либо движется, причем с постоянной скоростью и только по прямой. Такое движение еще называют движением по инерции. Чтобы тело изменило свою скорость, на него должна подействовать сила.
II-й закон Ньютона
Ускорение, с которым движется тело прямо пропорционально равнодействующей всех сил, действующих на тело, обратно пропорционально массе, и направлено в сторону равнодействующей силы.
Равнодействующая сила () – это векторная сумма всех сил, действующих на тело (т.е. при сложении учитываются не только значения сил, но и в какую сторону они направлены).
Если равнодействующая сила равна нулю, то тело ведет себя так, как будто на него не действует никаких сил – покоится или движется с постоянной скоростью. Например, если сила, с которой мы толкаем тележку, будет равна силе трения, тележка будет катиться с постоянной скоростью.
Ускорение в таком случае будет равно нулю. Если же равнодействующая всех сил окажется неравной нулю, то скорость тела будет меняться, тело будет двигаться с ускорением. Причем чем больше масса тела, тем большая потребуется сила для изменения его скорости.
III-й закон Ньютона
Два тела действуют друг на друга с силами равными по величине, направленными по одной прямой в противоположные стороны и приложенными к разным телам.
Иными словами, на всякое действие есть противодействие.
Примером таких пар сил могут служить сила реакции опоры и вес тела:
сила реакции опоры,
вес тела.
Билет 5. Всемирное тяготение.
Все тела во вселенной притягиваются друг к другу.
Закон всемирного тяготения.
Между любыми двумя материальными точками действуют силы взаимного притяжения, прямо пропорциональные произведению масс этих точек, обратно пропорциональные квадрату расстояния между ними, направленные вдоль прямой, соединяющей эти точки.
гравитационная постоянная,
(измеряется экспериментально)
массы материальных точек,
расстояние между материальными точками.
Материальная точка - это тело, размерами которого в данной задаче можно пренебречь.
Вообще говоря, если у нас имеются два тела, расположенных достаточно близко друг к другу и имеющих сложную форму, их нельзя рассматривать как материальные точки и вопрос, куда будут направлены силы притяжения между ними, требует более сложных расчетов.
Для Солнца, планет и спутников в Солнечной системе закон всемирного тяготения для материальных точек с хорошей точностью работает, так как они имеют шарообразную форму, и их плотность распределена симметрично от центра. Тогда силы притяжения будут действовать на центры тяжести тел, и расстояние будет считаться от центра тяжести первого тела до центра тяжести второго тела (см. рисунок).
Кстати, это еще одна иллюстрация третьего закона Ньютона.
Сила тяжести - это сила, с которой Земля притягивает к себе другие тела.
Это частный случай закона всемирного тяготения.
Если тело находится вблизи поверхности Земли и его размеры много меньше размеров Земли, то мы можем использовать закон всемирного тяготения для материальных точек, считая, что расстояние между центрами тяжести тел равно в данном случае радиусу Земли (см. рисунок).
,
масса тела,
масса Земли,
радиус Земли.
Если мы обозначим
,
то получим формулу для силы тяжести:
,
ускорение свободного падения,
Билет 6. Закон сохранения импульса.
Импульс тела - это векторная физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость и имеющая направление скорости.
импульс тела,
масса тела,
скорость тела.
Следовательно, для того, чтобы импульс тела изменился нужно поменять либо скорость тела, либо его массу. Для изменения скорости тела необходимо, чтобы на него подействовала сила, причем, чем больше величина этой силы и чем больше время ее действия, тем больше изменение скорости и, соответственно, изменение импульса тела.
Будем считать, что сила , начиная действовать в момент времени t = 0, остается постоянной в течение времени и затем перестает действовать. Так бывает, например, при броске шайбы хоккеистом.
Импульс силы - это векторная физическая величина, равная произведению силы на длительность ее действия .
Изменение импульса тела (в данном случае - шайбы) будет равно импульсу подействовавшей на него (в данном случае - со стороны клюшки) силы:
начальная скорость тела (до броска).
Если на тело или систему тел (система тел получится, если мы будем рассматривать не одно тело, а несколько) не действуют внешние силы (внешними будут называться силы характеризующие действие на систему не входящих в нее тел), то импульс тела, или системы тел, меняться не должен.
Замкнутая система тел - это система тел, для которой равнодействующая внешних сил равна нулю.
Такую систему образуют, например, два шара массами и , движущиеся навстречу друг другу с начальными скоростями и по гладкой горизонтальной поверхности (например, по столу), при отсутствии внешних сил. Силы тяжести и силы реакции опоры, действующие на шары компенсируют друг друга, следовательно, их равнодействующая равна нулю, а силами трения шаров о поверхность и сопротивлением воздуха можно пренебречь (см. рисунки).
Закон сохранения импульса:
Суммарный импульс замкнутой системы тел остается постоянным при любых взаимодействиях тел системы между собой.
Кстати, по третьему закону Ньютона.
Реактивное движение - движение, возникающее при отделении от тела с некоторой скоростью какой-либо его части.
Примером реактивного движения может служить движение ракеты. При сгорании ракетного топлива образуются горячие газы. В начальный момент времени, пока ракета находится на стартовой площадке, ее импульс равен нулю. Соответственно, когда горячие газы вырываются из сопла ракеты вниз с некоторым импульсом , то ракета начинает движение с тем же по величине импульсом вверх. Таким образом, суммарный импульс системы ракета-газы остается равным нулю в полном соответствии с законом сохранения импульса.
Билет 7. Закон сохранения энергии.
Работа - физическая величина, равная произведению проекции силы, действующей на тело, на ось х и перемещения тела вдоль этой оси:
Так как сила измеряется в ньютонах, а перемещение в метрах, работа будет измеряться в Н*м, эта величина получила название джоуль (Дж) в честь английского физика Джоуля.
Что такое проекция и как ее искать?
Предположим, что на тело действует некоторая сила F, направленная под углом к оси x (например, человек тянет ящик за привязанную к нему веревку), а тело при этом перемещается по оси x (вправо) . Ясно, что тело движется вправо под действием не всей силы F, а только той ее составляющей, которая направлена по ходу движения тела (т. е. тоже вправо). Эта составляющая называется проекцией силы F на ось x. Чтобы ее найти надо опустить перпендикуляры от начала и конца силы F на ось x (нарисованы пунктирной линией), отрезок оси x между перпендикулярами и есть проекция. Точно так же можно найти проекцию силы F на ось y. Получается, что человек перемещает тело вправо с силой, равной Fx и тянет вверх с силой равной Fy - эти два воздействия полностью описывают действие силы F на тело. При перемещении по оси x, сила F совершает работу, по оси y работы не совершается, но Fy уменьшает вес тела, а значит и силу трения (между ящиком и полом).
Величину проекции можно найти с помощью тригонометрических функции. Можно видеть, что из силы F и ее проекций получается прямоугольный треугольник, где F - гепотенуза, а Fx и Fy - катеты.
Тогда, если угол между силой F и осью x равен α, то:
Например, если сила F = 100 Н, а α = 30o (sin α = 0,5; cos α = 0,87), то:
Если при этом тело переместилось на Δx = 20 м, то работа силы F будет равна:
Если тело или несколько взаимодействующих между собой тел (система тел) могут совершить работу, то говорят, что они обладают энергией.
Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает.
Совершенная работа равна изменению энергии.
Энергия, как и работа, измеряется в джоулях.
Потенциальная энергия.
Потенциальной называется энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела.
Например, потенциальная энергия тела, поднятого над поверхностью Земли, находится по формуле:
потенциальная энергия, которой обладает тело в данной системе отсчета.
высота, на которую поднято тело над нулевым уровнем (на котором потенциальная энергия равна нулю).
ускорение свободного падения,
.
Когда мы поднимаем тело массой m = 1кг на высоту h = 10 м, мы совершаем работу против силы тяжести, равную изменению потенциальной энергии тела:
.
Причем величина работы не будет зависеть от того, насколько длинным был наш путь: можно было, например, подняться по пожарной лестнице (путь был бы равен 10 м) или по обычной лестнице (тогда путь был бы больше 30 метров) - важна только высота подъема.
А вот работа против силы трения будет зависеть от того, какой путь мы выберем, чем длиннее путь, тем большую работу против силы трения придется совершить.
Силы, работа которых, или против которых, не зависит от пути (например, сила тяжести, сила упругости растянутой пружины) называются консервативными.
Консервативная система - система тел, в которой действуют только консервативные силы.
А силы, работа которых, или против которых, зависит от пути (например, сила трения, сила сопротивления воздуха) называются диссипативными.
Кинетическая энергия.
Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической энергией.
Чем больше масса тела и скорость, с которой оно движется, тем больше его кинетическая энергия:
Потенциальная энергия может преобразовываться в кинетическую и наоборот. Например, в момент, когда маятник отклоняется на максимальный угол и поднимается на высоту h, он обладает максимальной потенциальной энергий, а его кинетическая энергия равна нулю, а когда маятник опускается вниз, потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая растет. В нижней части траектории кинетическая энергия максимальна, а потенциальная равна нулю, когда маятник поднимается вверх, потенциальная энергия опять возрастает, а кинетическая убывает. При этом, если бы можно было убрать трение и сопротивление воздуха, сумма потенциальной и кинетической энергии оставалась бы неизменной и маятник качался бы бесконечно долго, без нашего участия. Но поскольку совсем избавится от действия диссипативных сил не получается, энергия будет постепенно тратиться на работу против них, и маятник через некоторое время остановится.
Закон сохранения энергии:
В консервативной системе сумма потенциальной и кинетической энергии не меняется.
Билет 8. Молекулярное строение вещества.Температура. Внутренняя энергия вещества.
Молекулярное строение вещества.
Молекула – мельчайшая частица данного вещества.
4. Чем больше скорость движения молекул тела, тем выше его температура.
Беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением.
Если в жидкость или газ поместить малые частицы (размером от нескольких микрометров (1 мкм = 10-6 м = 0, 000001 м) и менее), то можно наблюдать брауновское движение.
Броуновское (брауновское) движение – беспорядочное движение малых частиц, взвешенных в жидкости или газе, происходящее под действием толчков со стороны молекул этой жидкости или газа.
Было открыто английским ботаником Робертом Брауном в 1827 г при наблюдении им в микроскоп движения частиц пыльцы в капле воды.
5. Диффузия – явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.
Скорость диффузии зависит:
Подумайте, какую роль играет диффузия в распространении запахов и в консервировании фруктов и овощей.
Температура - это мера нагретости тела.
Необходимые сведения о температуре:
1) При теплопередаче энергия передается от тела с более высокой температурой телу с более низкой температурой.
2) Теплопередача заканчивается при равенстве температур тел, т. е. когда наступает тепловое равновесие.
3) Температура измеряется с помощью термометров. В термометрах используется свойство тел (ртути, спирта и т д) расширяться при нагревании. Например, изменение высоты столбика ртути в термометре пропорционально изменению температуры.
Для измерения температуры используется несколько шкал. В нашей стране это шкала Цельсия, в ней температура замерзания воды равна 0оС, а температура кипения воды 100оС.
/ В США и Англии используют шкалу Фаренгейта. По Фаренгейту температура таяния льда 32оF, а кипения воды - 212оF, комнатная температура 68оF, нормальная температура человеческого тела 96оF./
В Системе интернациональной (СИ) принято измерять температуру в градусах Кельвина. Шкала Кельвина не имеет отрицательных значений. 0 К - это температура при которой должно остановиться движение молекул, так называемый абсолютный ноль, но так как молекулы никогда полностью не останавливаются, а могут только замедлиться, то температуры абсолютного нуля в природе не бывает. Температура замерзания воды равна 273 К, а кипения воды, соответственно, 373 К. Чтобы из градусов Кельвина получить градусы Цельсия надо отнять 273, а чтобы из градусов Цельсия получить градусы Кельвина, наоборот, прибавить 273.
Потренируйтесь:
Сколько будет в градусах Кельвина 25оС, - 50оС, - 273оС?
Сколько будет в градусах Цельсия 300К, 100К, 309, 6К?
Чем больше температура тела, тем больше его кинетическая энергия и, следовательно, скорость движения его молекул.
Поэтому беспорядочное движение частиц, из которых состоят тела, называют тепловым движением.
Внутренняя энергия тела равна сумме кинетической энергии всех его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия.
Билет 9. Способы изменения внутренней энергии тела.
Так как внутренняя энергия тела зависит от скорости движения молекул (чем больше скорость движения молекул, тем больше их кинетическая энергия), то, следовательно, с повышением температуры внутренняя энергия тела возрастает, а с понижением температуры - уменьшается.
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами:
1) Совершая механическую работу
2) Теплопередачей
1) Совершение механической работы:
Можно совершить работу над телом. Пример: нагревание эфира при натирании веревкой трубки, в которую он был налит (см. опыт на странице 8 учебника). При этом совершенная работа пошла на увеличение внутренней энергии эфира (эфир нагрелся и закипел).
А можно заставить тело совершить работу. Пример: выбивание сжатым воздухом пробки из бутылки, после чего произошло охлаждение воздуха в бутылке (см. опыт на странице 8 учебника). Внутренняя энергия воздуха уменьшилась (воздух охладился), потому что часть ее пошла на совершение работы - выбивание пробки.
Билет № 4. Теплопередача как способ изменения внутренней энергии тела. Виды теплопередачи: теплопроводность, конвекция, излучение.
Так как внутренняя энергия тела зависит от скорости движения молекул (чем больше скорость движения молекул, тем больше их кинетическая энергия), то следовательно, с повышением температуры внутренняя энергия тела возрастает, а с понижением температуры - уменьшается.
Внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами:
1) Совершая механическую работу
2) Теплопередачей
Теплопередача бывает трех видов:
Теплопроводность - это способ передачи тепла от одной молекулы к другой (по цепочке) при взаимодейстии (тогда часть скорости быстрой "теплой" молекулы передается медленной "холодной").
Переноса вещества при теплопроводности не происходит.
Теплопроводность у различных веществ различна.
Наилучшей теплопроводностью обладают металлы (в твердом и жидком состояниях) и вообще твердые тела (расстояния между молекулами малы, следовательно молекулы интенсивно друг с другом взаимодействуют). Хуже теплопроводность у остальных жидкостей. Еще хуже у газов из-за слабого взаимодействия молекул газов друг с другом).
Если требуется, чтобы тело равномерно нагревалось и быстро отдавало тепло, используют материалы с большой теплопроводностью, например, сковородки делают из металла (чугун, сталь). А если, наоборот нужно что-то сохранять при определенной температуре, то применяют материалы с малой теплопроводностью. Пластмассовые ручки для сковородок, деревянная и керамическая посуда, деревянные дома, кирпичи с полостями для воздуха. Все материалы, содержащие в себе воздух плохо проводят тепло: шерсть, волосы, перья птиц, пух.
Подумайте:
В чем теплее в трех рубашках или в одной рубашке тройной толщины?
Почему глубокий рыхлый снег предохраняет озимые хлеба от вымерзания (снег состоит из отдельных мелких кристалликов льда)?
Конвекция - вид теплопередачи при котором энергия переносится самими струями газа или жидкости.
Так, например, в отапливаемой комнате благодаря конвекции поток теплого воздуха поднимается вверх, а холодного опускается вниз. Такая конвекция называется естественной, так как происходит без внешнего вмешательства.
Вынужденная конвекция наблюдается, если перемешивать жидкость мешалкой, ложкой, насосом и т. д.
При нагревании жидкостей и газов нагретое вещество поднимается вверх, а холодное перемещается вниз. Поэтому жидкости и газы нагревают снизу, при нагревании сверху прогреваются только верхние слои и конвекции не происходит. А при помощи теплопроводности жидкости и газы греются очень долго.
В твердых телах конвекция не происходит потомучто молекулы твердых тел не могут образовывать потоки вещества, они только колеблются каждая около определенной точки.
Подумайте:
Почему подвал самое холодное место в доме?
Каким образом охлаждается воздух в комнате зимой при открытой форточке?
Излучение - это способ передачи тепла, который может происходить даже в полном вакууме.
Например, излучение Солнца нагревает Землю.
Все нагретые тела излучают тепло.
Темные тела хорошо поглощают энергию излучения, поэтому сильнее нагреваются солнцем (солнечные батареи, асфальт). Светлые, серебристые и зеркальные поверхности хорошо отражают свет и поэтому слабее нагреваются солнцем (светлая одежда, серебристые крылья самолетов, снег).
Билет № 5. Количество теплоты. Удельная теплоемкость. Закон сохранения энергии в тепловых процессах.
Энергия, которую получает или теряет тело при теплопередаче, называется количеством теплоты.
Количество теплоты, так как это один из видов энергии, измеряется в джоулях (Дж)
Физическая величина, численно равная количеству теплоты которое необходимо передать телу массой 1 кг для того, чтобы его температура изменилась на 1оС, называется удельной теплоемкостью вещества.
Удельная теплоемкость вещества измеряется в Дж/(кг оС). Существуют таблицы измеренных экспериментально удельных теплоемкостей веществ.
Количество теплоты, необходимое для того чтобы нагреть какое-нибудь тело, или выделяющееся при остывании какого-нибудь тела, находится по формуле:
Q = m*c*(t2-t1)
Q - количество теплоты;
m - масса;
c - удельная теплоемкость вещества;
t2 - конечная температура;
t1 - начальная температура.
Закон сохранения энергии в тепловых процессах. Если между телами происходит теплообмен, то внутренняя энергия всех нагревающихся тел увеличивается настолько, на сколько уменьшается внутренняя энергия остывающих тел.
Закон сохранения энергии. Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.
Упражнение:
Молот копра при падении ударяет о сваю и забивает ее в землю. Какие превращения и переходы энергии при этом происходят?
Опишите все превращения энергии, которые происходят при натирании трубки с эфиром, закрытой пробкой(см. рис.4 на стринице 8 учебника).
Билет № 6.Плавление и кристаллизация. Кипение. Влажность воздуха.
Переход вещества из твердого состояния в жидкое называется плавлением.
Переход вещества из жидкого состояния в твердое называется отвердеванием или кристаллизацией.
В процессах плавления и кристаллизации температура вещества остается постоянной во все время процесса.
При плавлении изменяется структура вещества: разрушается кристаллическая решетка, следовательно изменяется потенциальная энергия взаимодействия молекул (как правило, возрастают расстояния между ними). На увеличение потенциальной энергии молекул и тратится тепло, передаваемое телу при плавлении. (Вспомните, чем выше мы поднимаем над поверхностью Земли какое-нибудь тело, тем больше его потенциальная энергия ).
И наоборот, при кристаллизации жидкостей потенциальная энергия молекул уменьшается, поэтому при кристаллизации выделяется тепло.
Температура, при которой вещество плавится равна температуре, при которой вещество отвердевает, эту температуру называют температурой плавления вещества.
Ответьте на вопросы:
Будет ла плавиться свинец, если его бросить в расплавленное олово?
Можно ли в алюминиевом сосуде расплавить цинк?
Почему для измерения температуры наружного воздуха в холодных районах применяют термометры со спиртом, а не с ртутью?
Температуры плавления веществ можно посмотреть в таблице на странице 32 учебника.
Явление превращения жидкости в пар называется парообразованием.
Парообразование бывает двух видов: испарение и кипение.
Парообразование, происходящее с поверхности жидкости, называется испарением.
Испарение происходит практически при любой температуре.
Кипение - это интенсивный переход жидкости в пар, происходящий с образованием пузырьков пара по всему объему жидкости при определенной температуре.
Температура, при которой жижкость кипит, называется температурой кипения.
Во время кипения температура жидкости не меняется.
Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией.
Конденсация пара сопровождается выделением энергии.
Билет 9. Агрегатные состояния вещества.
Взаимодействие частиц вещества.
Так как существует притяжение и отталкивание молекул, существует потенциальная энергия их взаимодействия. На практике это означает, что для изменения расстояния между молекулами надо приложить определенную силу, т.е. совершить работу.
Модели строения газов, жидкостей и твердых тел.
Вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном.
В твердых телах потенциальная энергия взаимодействия молекул, которая "держит" их на своих местах, намного больше кинетической энергии их движения, в результате молекулы или атомы твердых тел колеблются около определенной точки и не могут далеко переместиться от нее. Поэтому твердые тела сохраняют свою форму и объем.
Рис 2. Расположение молекул воды в трех разных состояниях: твердом – лед, жидком – вода и газообразном – водяной пар.
Билет 10. Уравнение состояния идеального газа.
Чтобы приблизительно описать свойства реально существующих газов приходится прибегать к различным упрощениям, это сильно упрощает расчеты, но не всегда позволяет точно предсказать, что получится на самом деле. Модель идеального газа неплохо описывает разреженный газ.
При ее использовании мы считаем, что:
1) Расстояния между молекулами намного больше их размеров (получается, что молекулы практически никакого места не занимают).
2) Средняя кинетическая энергия молекул намного больше потенциальной энергии их взаимодействия (т.е. в полете они друг на друга никак не действуют, а сталкиваясь, разлетаются, как бильярдные шары).
Давление газа - это сумма ударов его молекул о стенки сосуда, в котором газ находится.
Следовательно, чем больше ударов, и чем они сильнее, тем больше давление газа. Большее количество ударов можно получить, если в как можно более маленьком сосуде собрать как можно больше молекул (т.е. чем больше объем, тем меньше давление, а чем больше масса, тем больше давление). Сила же ударов зависит от скорости молекул, а значит от температуры газа (чем больше температура, тем сильнее удары молекул).
Пользуясь всеми этими соображениями можно вывести уравнение Клапейрона-Менделеева - уравнение состояния идеального газа, которое связывает его макроскопические характеристики (давление, объем и температуру):
p - давление газа,
V - объем газа,
m - масса газа,
M - молярная масса,
R - универсальная газовая постоянная, R = 8,314 Дж/(моль*К),
Т - температура.
Билет 11. Законы термодинамики.
Первый закон термодинамики (закон сохранения энергии для тепловых процессов).
Количество теплоты, подведенное к системе, идет на изменение ее внутренней энергии и на совершение системой работы над внешними телами:
Q - количество теплоты (подведенное к газу),
ΔU - изменение внутренней энергии тела (газа),
А - работа, совершенная системой (газ расширяется и толкает поршень).
В скобочках дан пример для газа, а вообще законы термодинамики справедливы для любых агрегатных состояний вещества.
Второй закон термодинамики.
Представим себе сосуд, разделенный попалам перегородкой. В левой половине сосуда несколько молекул газа, а в правой пусто. Потом уберем перегородку и будем следить за перемещениями молекул.
Пусть в первом случае в левой половине сосуда было всего две молекулы, они беспорядочно движутся по всему доступному им объему, но в принципе ситуация, когда обе молекулы опять окажутся в левой половине вполне вероятна.
Такие процессы называются обратимыми. Обратимый процесс - процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении.
Если же молекул в левой половине будет много больше, вероятность, что они все опять в ней окажутся будет совсем маленькой, а если вспомнить, что только в 1 кубическом сантиметре воздуха содержится порядка 1019 молекул, можно понять, что в реально происходящих процессах число молекул, как правило, так велико, что они не будут обратимыми. И молекулы газа распределяться по всему доступному объему равномерно, т.е. в беспорядке.
Необратимый процесс - процесс, обратный которому самопроизвольно не происходит.
Второй закон термодинамики:
Замкнутая система из большого числа частиц самопроизвольно переходит из более упорядоченного состояния в менее упорядоченное.
Билет 12. Строение атома.
Как было установлено Резерфордом, атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг него, как планеты вокруг Солнца. Поэтому такую модель строения атома называют планетарной. Электроны притягиваются к ядру, так как заряды ядра и электронов противоположны по знаку.
Атомы разных химических элементов отличаются друг от друга числом электронов и зарядом ядра.
Электрон – частица, являющаяся носителем отрицательного электрического заряда. Этот заряд является неотъемлемой характеристикой электрона, избавить электрон от заряда невозможно. Заряд электрона нельзя изменить, он всегда имеет одно и то же значение.
Электрон – очень легкая частица, поэтому почти вся масса атома заключена в ядре.
Само ядро при этом очень маленькое, в 100 000 раз меньше атома. Если бы весь атом увеличился так, что ядро приняло бы размеры десятикопеечной монеты, то расстояние между ядром и электронами стало бы равным километру.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов.
Протон – положительно заряженная частица, она в 1836 раз тяжелее электрона. Заряд протона по величине равен заряду электрона.
Число протонов в ядре атома равняется числу электронов обращающихся вокруг ядра, и соответственно совпадает с порядковым номером химического элемента в таблице Менделеева - Z.
Нейтрон – частица, не имеющая заряда. Масса нейтрона приблизительно равна массе протона.
Число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом – А.
Следовательно, чтобы найти число нейтронов в ядре - N, нужно от массового числа отнять число протонов: N = A – Z.
Обозначения:
Z – порядковый номер (число протонов и число электронов).
А – массовое число – относительная атомная масса, округленная до целых.
Найдите Z, A и N для кальция, алюминия, фосфора, кислорода.
, где X – символ элемента.
Например, .
Или просто название элемента и массовое число.
Например, рубидий 85.
Запишите в виде цирконий 91, мышьяк 75 и азот 14.
Ионы.
Иногда (например, при столкновениях) атомы могут потерять один или несколько своих электронов. Образующийся в результате этого положительно заряженный атом называется положительным ионом.
Отрицательным ионом называют атом, присоединивший к себе лишний электрон.
Ядерные силы.
Протоны и нейтроны в ядре притягиваются друг к другу особыми ядерными силами (самые сильные силы в природе, но действуют только внутри ядра). Они в 100 раз превосходят электрические и не дают положительно заряженным протонам разлететься в разные стороны.
Энергия связи – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы расщепить ядро на отдельные частицы.
Чем больше энергия связи, тем более устойчиво ядро.
Изотопы.
Изотопами называют атомы химического элемента с одним и тем же числом протонов, но разным числом нейтронов.
Изотопы бывают как устойчивыми, так и неустойчивыми.
Самые устойчивые (и часто встречающиеся) изотопы приведены в таблице Менделеева от водорода до свинца 207.
Радиоактивность.
Неустойчивые изотопы распадаются на более устойчивые с испусканием альфа- и бета- частиц и гамма-лучей. Это явление называется радиоактивностью. А неустойчивые изотопы радиоактивными.
Альфа-частицы – это ядра гелия 4.
Бета-частицы – это электроны.
Гамма-лучи – это электромагнитные волны (как видимый свет или рентген). Когда ядро испускает гамма-лучи, оно теряет внутреннюю энергию.
Радиоактивное излучение обладает ионизирующей способностью, т. е. «выбивает» электроны из атомов вещества, через которое проходит. Атом, потерявший электрон, соответственно, становится ионом.
На этом явлении основаны методы регистрации радиоактивного излучения.
Радиоактивное излучение в больших дозах опасно для живых организмов.
Ядерные реакции.
При столкновении атомных ядер друг с другом, а также с какими-либо иными частицами эти ядра могут превратиться в ядра других атомов. Например, при столкновении ядра урана с нейтроном могут образоваться ядра ксенона и стронция и еще два новых нейтрона:
Эта реакция деления (тяжелое ядро превратилось в более легкие) используется в ядерных реакторах на АЭС (атомных электростанциях).
А в результате столкновения ядра атома водорода с ядром атома углерода может появиться ядро атома азота:
Эта реакция синтеза (из легких ядер образовалось более тяжелое) происходит в недрах звезд.
Билет 13. Электрические явления.
Все тела состоят из атомов. В каждом атоме число протонов и электронов одинаково, а так как заряд протона равен по величине заряду электрона, а знаки зарядов у них противоположны, атом в целом нейтрален. Тело, состоящее из нейтральных атомов, тоже, соответственно, нейтрально.
Но если нейтральное тело приобретет электроны от какого-то другого тела, то оно становится отрицательно заряженным.
А если нейтральное тело теряет электроны, то оно становится положительно заряженным.
В таких случаях говорят, что тело электризуется.
Например, когда эбонитовую палочку трут о шерсть, она заряжается отрицательно, а шерсть положительно, потому что электроны с шерсти переходят на эбонит.
Взаимодействие зарядов.
Заряды одного знака отталкиваются, а заряды разных знаков притягиваются.
Т. е. "+" и "+" отталкиваются,
"-" и "-" отталкиваются,
"+" и "-" притягиваются.
Электрические заряды взаимодействуют на расстоянии, причем. чем ближе друг к другу находятся наэлекризованные тела, тем взаимодействие между ними сильнее, чем дальше - тем слабее.
Причем это взаимодействие передается даже через вакуум. Это объясняется тем, что каждое заряженное тело окружено электрическим полем (поле - особый вид материи, отличающийся от вещества). Когда два заряда взаимодействуют, поле первого заряда действует на второй заряд, а поле второго заряда действует на первый заряд.
Точно также с гравитационным взаимодействием: Земля притягивает к себе другие тела потому, что окружена гравитационным полем. А другие тела действием своих гравитационных полей притягивают к себе Землю.
Сила, с которой электрическое поле действует на внесенный в него заряд, называется электрической силой.
Исходя из взаимодействия зарядов, можно объяснить, почему тела, заряженные одинаково, отталкиваются, а тела, имеющие противоположные заряды, притягиваются.
Проводники и диэлектрики.
В атомах электроны находятся на разных расстояниях от ядра, удаленные электроны слабее притягиваются к ядру, чем ближние. Особенно слабо удерживаются электроны ядрами металлов. Поэтому в металлах валентные электроны покидают свое место и свободно движутся между атомами, такие электроны называют свободными электронами. Те вещества, в которых есть свободные электроны, являются проводниками, т.е. через них электрические заряды могут переходить от заряженного тела к незаряженному.
Те вещества, в которых нет свободных электронов, являются диэлектриками, т.е. через них электрические заряды не могут переходить от заряженного тела к незаряженному.
Одной из деталей электроскопа (прибора для определения наличия электрического заряда) является проводник, по которому часть заряда с заряженного тела переходит на лепестки электроскопа, лепестки, заряжаясь одинаково, отталкиваются.
Наличием в теле свободных электронов можно объяснить притяжение незаряженных тел к заряженным.
Если отрицательно заряженное тело действует на нейтральное, то в нейтральном теле свободные электроны перемещаются на дальний от заряженного тела конец тела нейтрального, в случае действия положительно заряженного тела - наоборот - свободные электроны в нейтральном теле перемещаются ближе к телу заряженному.
Примеры: притяжение к заряженным телам легко сдвигаемых предметов - бумажек, струек воды, дощечек, повешенных на нитях (предмет должен быть легко сдвигаем, так как силы притяжения в данном случае не велики, и иначе их нельзя будет заметить).
Электрический ток.
Свободные электроны в проводнике обычно движутся беспорядочно, двигаться прямолинейно им мешает кристаллическая решетка и другие электроны, на которые они "натыкаются". Но если проводник поместить в электрическое поле, то электроны начнут, не переставая двигаться так же беспорядочно, дрейфовать со скоростью около 1 мм/с от минуса к плюсу. Такое упорядоченное движение электронов называется электрическим током.
Для создания электрического поля в проводнике используются источники электрического тока.
Чтобы создать электрическое поле надо разделить положительные и отрицательные заряды. Так как разноименные заряды притягиваются, для их разделения требуется затратить энергию. В разных источниках электрического тока используются разные виды энергии:
- механическая (электрофорная машина),
- внутренняя (термоэлементы),
- энергия химических реакций (батарейки, аккумуляторы),
- энергия света (фотоэлементы).
Действие электрического тока.
1. Тепловое.
Тепловое действие тока выражается в том, что тела, по которым течет ток, нагреваются. Особенно сильно греются плохие проводники электричества. Пример: нагревание вольфрамовой проволочки в лампе накаливания. Дело в том, что электроны, двигаясь внутри кристаллической решетки, часть своей кинетической энергии отдают атомам в узлах решетки, атомы начинают колебаться сильнее, следовательно, тело нагревается. Чем хуже тело проводит электрический ток, тем сильнее решетка мешает электронам и тем больше нагревается такое тело.
2. Химическое.
В некоторых растворах кислот (солей, щелочей) при прохождении через них электрического тока наблюдается выделение веществ. Вещества, содержащиеся в растворе, откладываются на электродах, опушенных в этот раствор. Например, из раствора медного купороса можно, пропустив через него электрический ток, выделить чистую медь.
3. Магнитное.
Электрические и магнитные явления связаны между собой: вокруг проводника с током возникает магнитное поле (пример: электромагнит), а при изменении магнитного поля (если, например, постоянный магнит вносить в катушки или выносить обратно) в замкнутой цепи возникает электрический ток.