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 № 2 Взаимодействие тел. Сила. Законы динамики Ньютона
План ответа
1. Взаимодействие тел. 2. Виды взаимодействия. 3. Сила. 4. Силы в механике. 5. Законы Ньютона..
Простые наблюдения и опыты, например с тележками (рис. 3), приводят к следующим качественным заключениям: а) тело, на которое другие тела не действуют, сохраняет свою скорость неизменной; б) ускорение тела возникает под действием других тел, но зависит и от самого тела; в) действия тел друг на друга всегда носят характер взаимодействия. Эти выводы подтверждаются при наблюдении явлений в природе, технике, космическом пространстве только в инерциальных системах отсчета.
Взаимодействия отличаются друг от друга и коли чественно, и качественно. Например, ясно, что чем больше деформируется пружина, тем больше взаимо-
действие ее витков. Или чем ближе два одноименных заряда, тем сильнее они будут притягиваться. В про стейших случаях взаимодействия количественной ха рактеристикой является сила. Сила — причина уско рения тел (в инерциальной системе отсчета). Сила — это векторная физическая величина, являющаяся ме рой ускорения, приобретаемого телами при взаимо действии. Сила характеризуется: а) модулем; б) точ кой приложения; в) направлением.
Единица силы — ньютон (Н). 1 ньютон — это сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2 в направлении действия этой силы, если другие тела на него не действуют. Равнодействующей не скольких сил называют силу, действие которой экви валентно действию тех сил, которые она заменяет. Равнодействующая является векторной суммой всех сил, приложенных к телу:
R = F1 + F2 + ... + Fn.
Качественно по своим свойствам взаимодействия также различны. Например, электрическое и магнит ное взаимодействия связаны с наличием зарядов у час тиц либо с движением заряженных частиц. Наиболее просто рассчитать силы в электродинамике: сила Ам пера — FA = I l В sin а, сила Лоренца — Fn = qvB sin а,
кулоновская сила — F = kq^q./r2 и гравитационные си лы: закон всемирного тяготения — F = Gm1m2/R2. Такие механические силы, как сила упругости и сила трения, возникают в результате электромагнитного взаимодействия частиц вещества. Для их расчета не обходимо использовать формулы: Fyпр = -kx (закон Гука), F = —{jJV — сила трения.
На основании обобщения огромного числа опыт ных фактов и наблюдений были сформулированы за коны динамики. Такое обобщение было выполнено Исааком Ньютоном.
Первый закон Ньютона постулирует существова ние инерционных систем отсчета и дает признак, пользуясь которым такие системы можно выделить из всего разнообразия систем отсчета: существуют та кие системы отсчета, относительно которых посту пательно движущееся тело сохраняет свою скорость постоянной, если на него не действуют другие тела (или действия других тел компенсируются).
Второй закон Ньютона отражает фундаменталь ное свойство материального мира, в соответствии с которым относительно инерциальных систем отсчета ускорение тел возникает только под действием сил. '. (тот закон формулируется следующим образом.
Ускорение, с которым движется тело, прямо прямопорционально равнодействующей всех сил, дей ствующих на тело, обратно пропорционально его массе и направлено так же, как и равнодействую ща л сила:
-> F а = — . т
Часто основной закон динамики записывают в ви-де F = та, что дает универсальный способ определе ния любых сил на основе кинематических методов из мерения ускорения.
Третий закон Ньютона является обобщением гро мадного количества опытных фактов, показываю щих, что силы— результат взаимодействия тел. Он формулируется следующим образом: тела действуют друг на друга с силами, равными по модулю и про тивоположными по направлению.
Билет № 3. Импульс тела. Закон сохранения импульса. Проявление закона сохранения импульса в природе и его использование в технике
План ответа
1.. Импульс тела. 2. Закон сохранения импульса. 3. Применение закона сохранения импульса. 4. Реактивное движение.
Простые наблюдения и опыты доказывают, что покой и движение относительны, скорость тела зависит от выбора системы отсчета; по второму закону Ньютона независимо от того, находилось ли тело в по кое или двигалось, изменение скорости его движения может происходить только под действием силы, т. е. в результате взаимодействия с другими телами. Однако существуют величины, которые могут сохраняться при взаимодействии тел. Такими величинами явля ются энергия и импульс.
Импульсом тела называют векторную физиче скую величину, являющуюся количественной характе ристикой поступательного движения тел. Импульс обо значается р. Импульс тела равен произведению массы тела на его скорость: р = mv. Направление вектора им пульса р совпадает с направлением вектора скорости тела v. Единица импульса — кг • м/с.
Для импульса системы тел выполняется закон со хранения, который справедлив только для замкнутых физических систем. В общем случае замкнутой назы вают систему, которая не обменивается энергией и массой с телами и полями, не входящими в нее. В ме ханике замкнутой называют систему, на которую не действуют внешние силы или действие этих сил ском пенсировано. В этом случае р1 = р2 где р1 — началь ный импульс системы, а р2 — конечный. В случае двух тел, входящих в систему, это выражение имеет вид mlvl + тv2 = m1v+ m2v2, где тЛ и т2 — массы тел, а и1 и v2 — скорости до взаимодействия, v[ и
v2 — скорости после взаимодействия (рис. 4). Эта формула и является математическим выражением закона сохранения импульса: импульс замкнутой физической системы сохраняется при любых взаимодействиях, происходящих внутри этой системы. Другими словами: в замкнутой физической системе геомет рическая сумма импульсов тел до взаимодействия равна геометрической сумме импульсов этих тел после взаимодействия. В случае незамкнутой систе мы импульс тел системы не сохраняется. Однако если и системе существует направление, по которому внешней силы не действуют или их действие скомпенсированo, то сохраняется проекция импульса на это направление. Кроме того, если время взаимодействия мило (выстрел, взрыв, удар), то за это время даже в случае незамкнутой системы внешние силы незначи тельно изменяют импульсы взаимодействующих тел. Поэтому для практических расчетов в этом случае то же можно применять закон сохранения импульса.
Экспериментальные исследования взаимодействии различных тел — от планет и звезд до атомов и элементарных частиц — показали, что в любой систе ме взаимодействующих тел при отсутствии действия со стороны других тел, не входящих в систему, или равенстве нулю суммы действующих сил геометриче ская сумма импульсов тел действительно остается не-изменной.
В механике закон сохранения импульса и законы Ньютона связаны между собой. Если на тело массой т в течение времени t действует сила и скорость его движения изменяется от v0 до v, то ускорение движе ния а тела равно а = (v - v0)/t. На основании второго закона Ньютона для силы F можно записать F = та = т(и- v0)/t, отсюда следует
Ft = mv - mv0.
Ft — векторная физическая величина, характе ризующая действие на тело силы за некоторый проме жуток времени и равная произведению силы на время
ее действия, называется импульсом силы. Единица импульса силы — Н*с.
Закон сохранения импульса лежит в основе реак тивного движения. Реактивное движение — это та кое движение тела, которое возникает после отделе ния от тела его части.
Пусть тело массой т покоилось. От тела отдели лась какая-то его часть массой т1 со скоростью v1. Тогда оставшаяся часть придет в движение в противо положную сторону со скоростью v2, масса оставшейся части т2. Действительно, сумма импульсов обеих час тей тела до отделения была равна нулю и после разде ления будет равна нулю:
m1vl + m2v2 = О, отсюда v1 = -m2v2/mv
Большая заслуга в развитии теории реактивного движения принадлежит К. Э. Циолковскому.
Он разработал теорию полета тела переменной массы (ракеты) в однородном поле тяготения и рас считал запасы топлива, необходимые для преодоле ния силы земного притяжения; основы теории жид костного реактивного двигателя, а также элементы его конструкции; теорию многоступенчатых ракет, причем предложил два варианта: параллельный (не сколько реактивных двигателей работают одновре менно) и последовательный (реактивные двигатели работают друг за другом). К. Э. Циолковский строго научно доказал возможность полета в космос с помо щью ракет с жидкостным реактивным двигателем, предложил специальные траектории посадки косми ческих аппаратов на Землю, выдвинул идею создания межпланетных орбитальных станций и подробно рас смотрел условия жизни и жизнеобеспечения на них. Технические идеи Циолковского находят применение при создании современной ракетно-космической тех ники. Движение с помощью реактивной струи по за кону сохранения импульса лежит в основе гидрореак тивного двигателя. В основе движения многих мор-ских моллюсков (осьминогов, медуз, кальмаров, каракатиц,) также лежит реактивный принцип.
Билет № 4. Закон всемирного тяготения. Сила тяжести. Вес тела. Невесомость
План ответа
1. Силы гравитации. 2. Закон всемирного тяготения. 3. Физический смысл гравитационной постоянной. 4. Сила тяжести. 5. Вес тела, перегрузки. 6. Невесомость.
Исаак Ньютон выдвинул предположение, что ме жду любыми телами в природе существуют силы взаимного притяжения. Эти силы называют силами гра витации или силами всемирного тяготения. Сила всемирного тяготения проявляется в космосе, Сол нечной системе и на Земле. Ньютон обобщил законы движения небесных тел и выяснил, что сила F равна:
т1т2 >•' О —y~ , где т1 т2 — массы взаимодействующих тел, R — расстояние между ними, G — коэффициент пропорциональности, который называется гравита ционной постоянной. Численное значение грави тационной постоянной опытным путем определил Кавендиш, измеряя силу взаимодействия между свинцо выми шарами. В результате закон всемирного тяготения звучит так: между любыми материальными точками существует сила взаимного притяжения, прямо пропорциональная произведению их масс и обратно пропорциональная квадрату расстояния ме жду ними, действующая по линии, соединяющей эти точки.
Физический смысл гравитационной постоянной вытекает из закона всемирного тяготения. Если т1 = т2 = 1 кг, R = 1 м, то G = F, т. е. гравитационная постоянная равна силе, с которой притягиваются два тела по 1 кг на расстоянии 1 м. Численное значение
G = 6,67 • 10 H • м2/кг2. Силы всемирного тяготе ния действуют между любыми телами в природе, но ощутимыми они становятся при больших массах (или если хотя бы масса одного из тел велика). Закон же всемирного тяготения выполняется только для мате риальных точек и шаров (в этом случае за расстояние принимается расстояние между центрами шаров).
Частным видом силы всемирного тяготения явля ется сила притяжения тел к Земле (или к другой пла нете). Эту силу называют силой тяжести. Под дейст вием этой силы все тела приобретают ускорение сво бодного падения. В соответствии со вторым законом Ньютона g = F/m, следовательно, FT = mg. Сила тя жести всегда направлена к центру Земли. В зависимо сти от высоты h над поверхностью Земли и географи ческой широты положения тела ускорение свободного падения приобретает различные значения. На по верхности Земли и в средних широтах ускорение сво бодного падения равно 9,831 м/с2.
В технике и быту широко используется понятие веса тела. Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору или подвес в результате гравитацион ного притяжения к планете (рис. 5). Вес тела обозна чается Р. Единица веса — ньютон (Н). Так как вес равен силе, с которой тело действует на опору, то в соответствии с третьим законом Ньютона по величине вес тела равен силе реакции опоры. Поэтому, чтобы найти вес тела, необходимо определить, чему равна сила реакции опоры.
Рассмотрим случай, когда тело вместе с опорой не движется. В этом случае сила реакции опоры, а следовательно, и вес тела равен силе тяжести (рис. 6):
Р = N = mg.
В случае движения тела вертикально вверх вместе с опорой с ускорением по второму закону Ньютона можно записать: mg + N = та (рис. 7, а).
В проекции на ось OX: mg - N = -та, отсюда N = m(g + а).
(Следовательно, при движении вертикально вверх с ускорением вес тела увеличивается и находится по формуле Р = m(g + а).
Увеличение веса тела, вызванное ускоренным движением опоры или подвеса, называют перегруз кой. Действие перегрузки испытывают на себе космо навты как при взлете космической ракеты, так и при торможении корабля при входе в плотные слои атмо сферы. Испытывают перегрузки и летчики при вы мни пении фигур высшего пилотажа, и водители авто мобилей при резком торможении.
Если тело движется вниз по вертикали, то с по мощью аналогичных рассуждений получаем mg + N — та; mg - N = та; N = m(g - а); Р = m(g - а), т. е. вес
при движении по вертикали с ускорением будет мень ше силы тяжести (рис. 7, б).
Если тело свободно падает, то в этом случае Р = (g - g)m = 0.
Состояние тела, в котором его вес равен нулю, на зывают невесомостью. Состояние невесомости наблю дается в самолете или космическом корабле при дви жении с ускорением свободного падения независимо от направления и значения скорости их движения.
Билет № 5. Превращения энергии при механических колебаниях. Свободные и вынужденные колебания. Резонанс
План ответа
1. Определение колебательного движения. 2. Свободные колебания. 3. Превращения энергии. 4. Вынужденные колебания.
Механическими колебаниями называют движе ния тела, повторяющиеся точно или приблизительно через одинаковые промежутки времени. Основными ха рактеристиками механических колебаний являются: смещение, амплитуда, частота, период. Смещение — это отклонение тела от положения равновесия. Амплитуда — модуль максимального отклонения тела от положения равновесия. Частота — число полных колебаний, совершаемых в единицу времени. Период — время одного полного колебания, т. е. мини мальный промежуток времени, через который проис ходит повторение процесса. Период и частота связаны соотношением: v = 1/Т.
Простейший вид колебательного движения - гармонические колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется со временем по закону синуса или косинуса (рис. 8).
Свободными называют колебания, которые совершаются за счет первоначально сообщенной энергии при последующем отсутствии внешних воздействий на систему, совершающую колебания. Например, колебания груза на нити (рис. 9).
Рассмотрим процесс превращения энергии на примере колебаний груза на нити (см. рис. 9).
При отклонении маятника от положения равновесия он поднимается на высоту h относительно нулево го уровня, следовательно, в точке А маятник обладает потенциальной энергией mgh. При движении к положению равновесия, к точке О, уменьшается высота до пуля, а скорость груза увеличивается, и в точке О вся потенциальная энергия mgh превратится в кинетическую энергию mv2/2. В положении равновесия кине тическая энергия имеет максимальное значение, а потенциальная энергия минимальна. После прохожде ния положения равновесия происходит превращение кинетической энергии в потенциальную, скорость маятника уменьшается и при максимальном отклонении от положения равновесия становится равной нулю. При колебательном движении всегда происходят периодические превращения его кинетической и по тенциальной энергии.
При свободных механических колебаниях неизбежно происходит потеря энергии на преодоление сил сопротивления. Если колебания происходят под дейст вием периодической внешней силы, то такие колебания называют вынужденными. Например, родители раскачивают ребенка на качелях, поршень движется в цилиндре двигателя автомобиля, колеблются нож электробритвы и игла швейной машины. Характер вынужденных колебаний зависит от характера дейст вия внешней силы, от ее величины, направления, частоты действия и не зависит от размеров и свойств колеблющегося тела. Например, фундамент мотора, на котором он закреплен, совершает вынужденные ко лебания с частотой, определяемой только числом обо ротов мотора, и не зависит от размеров фундамента.
При совпадении частоты внешней силы и частоты собственных колебаний тела амплитуда вынужден ных колебаний резко возрастает. Такое явление назы вают механическим резонансом. Зависимость амплитуды вынужденных колебаний от частоты действия внешней силы представлена на рисунке 10.
Явление резонанса может быть причиной разру шения машин, зданий, мостов, если собственные их частоты совпадают с частотой периодически деиствующей силы. Поэтому, например, двигатели в автомобилях устанавливают на специальных амортизаторах воинским подразделениям при движении по мосту запрещается идти «в ногу».
При отсутствии трения амплитуда вынужденных колебаний при резонансе должна возрастать со временем неограниченно. В реальных системах амплитуда в установившемся режиме резонанса определяется условием потерь энергии в течение периода и работы внешней силы за то же время. Чем меньше трение, тем больше амплитуда при резонансе.
6. Опытное обоснование основных положений молекулярно-кинетической теории строения вещества. Масса и размеры молекул
План ответа
1. Основные положения. 2. Опытные доказательства. 3. Микрохарактеристики вещества.
Молекулярно-кинетическая теория (МКТ) — это раздел физики, изучающий свойства различных coстояний вещества, основывающийся на представлениях о существовании молекул и атомов как мельчайших частиц вещества. В основе МКТ лежат три основных положения:
Основные положения МКТ подтверждаются многими опытными фактами. Существование молекул,
атомов и ионов доказано экспериментально, молекулы достаточно изучены и даже сфотографированы с помощью электронных микроскопов. Способность газов неограниченно расширяться и занимать весь предос тавленный им объем объясняется непрерывным хао тическим движением молекул. Упругость газов, твер дых и жидких тел, способность жидкостей смачивать некоторые твердые тела, процессы окрашивания, склеивания, сохранения формы твердыми телами и многое другое говорят о существовании сил притяжения и отталкивания между молекулами. Явление диффузии — способность молекул одного вещества проникать в промежутки между молекулами другого — тоже подтверждает основные положения МКТ. Явлением диффузии объясняется, например, распро странение запахов, смешивание разнородных жидкостей, процесс растворения твердых тел в жидкостях, сварка металлов путем их расплавления или путем давления. Подтверждением непрерывного хаотиче ского движения молекул является также и броуновское движение — непрерывное хаотическое движение микроскопических частиц, нерастворимых в жидкости.
Движение броуновских частиц объясняется хао тическим движением частиц жидкости, которые сталкиваются с микроскопическими частицами и приводят их в движение. Опытным путем было доказано, что скорость броуновских частиц зависит от температуры жидкости. Теорию броуновского движе ния разработал А. Эйнштейн. Законы движения частиц носят статистический, вероятностный характер. Известен только один способ уменьшения интенсивности броуновского движения — уменьшение темпе ратуры.
Массы молекул очень малы, и удобно использовать не абсолютные значения масс, а относительные. Относительные массы атомов и молекул были опреде лены еще очень давно. Относительные атомные массы всех химических элементов указаны в таблице Мен делеева. Физическими методами, например по движе нию ионов в электрическом и магнитном полях, удалось, определить массы некоторых атомов в абсолютных единицах. Так появилась атомная единица массы (а.е.м.), равная 1/12 массы атома углерода.
Итак, 1 а. е. м. = 1,66 • 10~27кг. Поскольку относительная молекулярная масса Мг— это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода, относительная молекулярная масса позволяет найти массу любой молекулы или атома т0 = 1,66-10 27 -Мг.
Например, для воды (Н20) Мг = 18 и масса молекулы воды равна т0 = 29,88 • 10~27 кг.
Диаметром молекулы принято считать минималь ное расстояние, на которое им позволяют сблизиться силы отталкивания. Однако понятие размера молекулы является условным. Средний размер молекул порядка 10-10м.
Многие свойства вещества определяются только числом частиц, но не зависят от свойств частиц. Например, давление идеального газа определяется кон центрацией частиц п и температурой Т: р = nkT; сила тока через проводник также зависит от свойств носителей заряда: I = Nq0vS, где п — концентрация сво бодных частиц, q0— заряд одной частицы, v— скорость частиц, S — площадь поперечного сечения проводника. Именно поэтому возникло в физике понятие количество вещества. Единица количества вещества определяется на основе соотношения для расчета числа частиц N в веществе любой массы.
Действительно, N = m/m0 Из этой формулы следует, что в образце, масса которого т численно равна Мг, число частиц равно N = 6,02 • 1026
При переходе к СИ было взято в качестве единицы количества вещества число в 103 раз меньшее, т. е. N = 6,02 • 1023. Эта единица называется моль.
Число частиц в одном моле вещества названо чис лом Авогадро.
Итак, NA = 6,02 • 1023 1/моль, в одном моле любого
А вещества содержится NA частиц.
Теперь можно найти массу одного моля М. Эта ве личина называется молярной массой. Действительно, по определению
М = m0NA = 1,66 * 10-27 кг • Мг = = 6,02 • 1023 = 10-3Мг.
Из формулы М = m0NA следует, что единица молярной массы вещества – кг/моль
Билет № 7.
Идеальный газ. Основное уравнение МКТ идеального газа. Температура и ее измерение. Абсолютная температура
План ответа
1. Понятие идеального газа, его свойства. 2. Объяснение давления газа. 3. Необходимость измерения температуры. 4. Физический смысл температуры. 5. Температурные шкалы. 6. Абсолютная температура.
Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. Идеальным принято считать газ, если: а) между молеку лами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела; б) газ очень разрежен, т. е. расстояние между молекулами на много больше размеров самих молекул; в) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно.
Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрёл свойства идеального, осуществляются при соот ветствующем разрежении реального газа. Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении и слабо отличаются от идеальных. Основны ми параметрами идеального газа являются давление, объём и температура.
Одним из первых и важных успехов МКТ было качественное и количественное объяснение давления газа на стенки сосуда. Качественное объяснение заключается в том, что молекулы газа при столкновениях со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законами механики как упругие тела и передают свои импульсы стенкам сосуда.
На основании использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получе но основное уравнение МКТ идеального газа, которое
выглядит так: р = 1/3 m0nv2, где р — давление идеального газа, т0 — масса молекулы, п — концентра ция молекул, v2 —среднее значение квадрата скорос тей молекул. Если представить себе фантастическую ситуацию, в которой нам известны скорости всех молекул в единице объема, то v2 можно было бы вычислить по формуле
Величина v2 позволяет ввести представление о средней кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа Ек = m0v2/2 . Тогда основное уравнение МКТ идеального газа можно записать в виде:р = 2/3 пЕк.
Однако, измерив только давление газа, невозможно узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следо вательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужно измерение еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной является темпе ратура. Температура — скалярная физическая вели чина, описывающая состояние термодинамического равновесия (состояния, при котором не происходит изменения микроскопических параметров). Как тер модинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетическая величина — характеризует интенсивность хаотического движения молекул, измеряется их средней кинетической энергией: Ек = 3/2 kT, где k = 1,38 • 1023 Дж/К и называется постоянной Больцмана.
Температура всех частей изолированной системы, находящейся в равновесии, одинакова. Измеряется температура термометрами в градусах различных температурных шкал. Существует абсолютная термодинамическая шкала (шкала Кельвина) и различные эмпирические шкалы, которые отличаются начальными точками. До введения абсолютной шкалы температур в практике широкое распространение получила шкала Цельсия (за О °С принята точка замерзания во ды, за 100 °С принята точка кипения воды при нормальном атмосферном давлении).
Единица температуры по абсолютной шкале на зывается Кельвином и выбрана равной одному граду су по шкале Цельсия 1 К = 1 °С. В шкале Кельвина за нуль принят абсолютный нуль температур, т. е. температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю. Вычисления дают результат, что абсолютный нуль температуры равен -273 °С. Таким образом, между абсолютной шкалой температур и шкалой Цельсия существует связь Т = t °С + 273. Абсолютный нуль температуры недостижим, так как любое охлаждение основано на испа рении молекул с поверхности, а при приближении к абсолютному нулю скорость поступательного движения молекул настолько замедляется, что испарение практически прекращается. Теоретически при абсолютном нуле скорость поступательного движения молекул равна нулю, т.е. прекращается тепловое движение молекул.
Билет № 9 Испарение и конденсация.
Насыщенные и ненасыщенные пары. Влажность воздуха. Измерение влажности воздуха
План ответа
1. Основные понятия. 2. Водяной пар в атмосфере. 3. Абсолютная и относительная влажность. 4. Точка росы. 5. Приборы для измерения влажности.
Испарение - парообразование, происходящее при любой температуре со свободной поверхности жидкости. Неравномерное распределение кинетической энергии молекул при тепловом движении приводит к тому, что при любой температуре кинетическая энергия некоторых молекул жидкости или твердого тела может превышать потенциальную энергию их связи с другими молекулами. Большей кинетической энергией обладают молекулы, имеющие большую скорость, а температура тела зависит от скорости движения его молекул, следовательно, испарение сопровождается охлаждением жидкости. Скорость испарения зависит от площади открытой поверхности, температуры, концентрации молекул вблизи жидкости. Конденсация — процесс перехода вещества из газообразного состояния в жидкое.
Испарение жидкости в закрытом сосуде при неиз менной температуре приводит к постепенному увеличению концентрации молекул испаряющегося вещества в газообразном состоянии. Через некоторое время после начала испарения концентрация вещества в газообразном состоянии достигнет такого значения, при котором число молекул, возвращающихся в жидкость, становится равным числу молекул, покидающих жидкость за то же время. Устанавливается динамическое равновесие между процессами испарения и конденсации вещества. Вещество в газообразном состоянии, находящееся в динамическом равновесии с жидкостью, называют насыщенным паром. (Паром называют совокупность молекул, покинувших жидкость в процессе испарения.) Пар, находящийся при давлении ниже насыщенного, называют ненасыщенным.
Вследствие постоянного испарения воды с поверхностей водоемов, почвы и растительного покрова, а также дыхания человека и животных в атмосфере всегда содержится водяной пар. Поэтому атмосферное давление представляет собой сумму давления сухого воздуха и находящегося в нем водяного пара. Давление водяного пара будет максимальным при насыщении воздуха паром. Насыщенный пар в отличие от ненасыщенного не подчиняется законам идеального газа. Так, давление насыщенного пара не зависит от объема, но зависит от температуры. На основе экспериментального изучения зависимости давления насыщенного пара от температуры составлены таблицы, по которым можно определить его давление при различных температурах.
Давление водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, называют абсолютной влажностью или упругостью водяного пара. Поскольку давление пара пропорционально концентрации мо лекул, можно определить абсолютную влажность как плотность водяного пара, находящегося в воздухе при данной температуре, выраженную в килограммах на метр кубический (р).
Большинство явлений, наблюдаемых в природе, например быстрота испарения, высыхание различных веществ, увядание растений, зависит не от количества водяного пара в воздухе, а от того, насколько это количество близко к насыщению, т. е. от относительной влажности, которая характеризует степень насыщения воздуха водяным паром.
При низкой температуре и высокой влажности повышается теплопередача и человек подвергается переохлаждению. При высоких температурах и влажности теплопередача, наоборот, резко сокращается, что ведет к перегреванию организма. Наиболее благоприятной для человека в средних климатических широтах является относительная влажность 40—60%. Относительной влажностью называют отношение плотности водяного пара (или давления), находящегося в воздухе при данной температуре, к плотности (или давлению) водяного пара при той же температуре, выраженное в процентах, т.е. φ = р/р0 • 100%, или φ = р/р0 • 100% .
Относительная влажность колеблется в широких пределах. Причем суточный ход относительной влажности обратен суточному ходу температуры. Днем, с возрастанием температуры и, следовательно, с ростом давления насыщения, относительная влажность убывает, а ночью возрастает. Одно и то же количество во дяного пара может либо насыщать, либо не насыщать воздух. Понижая температуру воздуха, можно довести находящийся в нем пар до насыщения. Точкой росы называют температуру, при которой пар, находящийся в воздухе, становится насыщенным. При достижении точки росы в воздухе или на предметах, с которыми он соприкасается, начинается конденсация водяного пара. Для определения влажности воздуха используются приборы, которые называются гигрометрами и психрометрами.
Билет № 10
Кристаллические и аморфные тела. Упругие и пластические деформации твердых тел
План ответа
1. Твердые тела. 2. Кристаллические тела. 3. Моно-и поликристаллы. 4. Аморфные тела. 5. Упругость. 6. Пластичность.
Каждый может легко разделить тела на твердые и жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) - это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах - это аморфные. Особую группу твердых тел составляют такие, для которых зависимость температуры от времени нагревания представлена на рисунке 12. Это и есть кристаллические тела. Такое поведение кристаллических тел при нагревании объясняется их внутренним строением. Кристаллические тела - это такие тела, атомы и молекулы которых расположены в определенном порядке, и этот порядок сохраняется на достаточно большом расстоянии. Пространственное периодическое расположение атомов или ионов в кристалле называют кристаллической решеткой. Точки кристаллической решетки, в которых расположены атомы или ионы, называют узлами кристаллической решетки.
Кристаллические тела бывают монокристаллами и поликристаллами. Монокристалл обладает единой кристаллической решеткой во всем объеме.
Анизотропия монокристаллов заключается в зависимости их физических свойств от направления. Поликристалл представляет собой соединение мелких, различным образом ориентированных монокристаллов (зерен) и не обладает анизотропией свойств. Большинство твердых тел имеют поликристаллическое строение (минералы, сплавы, керамика).
Основными свойствами кристаллических тел являются: определенность температуры плавления, упругость, прочность, зависимость свойств от порядка расположения атомов, т. е. от типа кристаллической решетки.
Аморфными называют вещества, у которых отсутствует порядок расположения атомов и молекул по всему объему этого вещества. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропии. Это значит, что свойства одинаковы по всем направлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует определенная температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. п.
Упругость - свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. По характеру смещения частиц твердого тела происходящие при изменении его формы деформации делятся на: растяжение - сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Для упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому упругие деформации прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям. Для деформации растяжения — сжатия закон Гука имеет вид: , где - механичекое напряжение, - относительное удлинение, - абсолютное удлинение, Е — модуль Юнга (модуль упругости). Упругость обусловлена взаимодействием и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.
Пластичность - свойство твердых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные деформации после того, как действие этих сил прекратится. Такие деформации называются пластическими.