Билет №1

1. Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения вещества. Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро.

2. Определите массу (m₀) одной молекулы алюминия, находящейся в алюминиевой отливке массой m = 5,4 кг., количество вещества υ=200 моль.

Билет № 2

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

2. Найдите давление идеального газа (р), при температуре t=27°С и концентрации молекул n=3*10¹⁰

Билет №3

1. Агрегатное состояние газообразных, жидких и твердых тел. Взаимные превращения жидкостей и газов. Влажность воздуха.

2. Определите относительную влажность воздуха φ, при неизменной температуре, если давление водяного пара р=2,33, а давление насыщенного пара р₀=3,17.

Билет №4

1. Кристаллические и аморфные тела. Деформация твердых тел и ее виды. Механические свойства твердых тел.

2. Латунная проволока диаметром D=0,8 мм имеет длину l=3,6 м. Под действием силы F=25 Н проволока удлиняется на ∆l=2мм. Определить модуль Юнга для латуни.

Билет №5

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

2. Какое количество теплоты нужно передать идеальному газу в цилиндре под поршнем для того, чтобы внутренняя энергия газа увеличилась на 100 Дж и при этом газ совершил работу 200 Дж?

Билет №6

1. Электрический заряд. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.

2. Два неподвижных точечных заряда q₁= -3*10^-8Кл и q₂=1,0*10^-8Кл, расположены на расстоянии r=0,4 м друг от друга. Найти силу (F) взаимодействия данных зарядов.

Билет №7

1. Электрическое поле. Силовые линии электрического поля. Напряженность и разность потенциалов. Проводники и диэлектрики. Конденсаторы.

2. Конденсатор имеет электроемкость С=5*10^-12Ф. Какой заряд находится на каждой из его обкладок, если разность потенциалов между ними U=1000 В?

Билет №8

1. Электрический ток. Сила тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для участка цепи. Работа и мощность постоянного тока.

2. Сила тока в цепи, содержащей реостат, I=3,2 А. Напряжение между клеммами реостата U=14,4 В. Каково сопротивление R той части реостата, в которой существует ток?

Билет №9

1. Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединение проводников. Закон Ома для полной цепи.

2. Гальванический элемент с ЭДС ε=5 В и внутренним сопротивлением r=0,2 Ом замкнут на внешнее сопротивление R=40 Ом. Чему равно напряжение U на внешнем сопротивлении?

Билет №10

1. Магнитное поле, условия его существования. Магнитная индукция. Определение направления магнитной индукции. Закон Ампера. Сила Лоренца.

2. На прямолинейный участок проводника с током длиной l = 2 см между полюсами постоянного магнита действует сила F_А=10^-3 Н при силе тока в проводнике I=5 А. Определите магнитную индукцию, если вектор индукции перпендикулярен проводнику.

Билет № 11

1. Электромагнитная индукция. Магнитный поток. Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.

2. В замкнутом контуре за время ∆t=10^-4с магнитный поток изменился на ∆Ф=2*10^-8Вб. Найти ЭДС индукции в данном проводнике.

Билет №12

1. Явление самоиндукции. Индуктивность. Энергия магнитного поля тока.

2. В катушке с индуктивностью L=0,15 Гн и очень малым сопротивлением r установилась сила тока I=4 А. Какую энергию совершит магнитное поле тока?

Билет №13

1. Свободные и вынужденные электромагнитные колебания. Колебательный контур. Частота и период колебаний.

2. Колебательный контур состоит из катушки индуктивностью L=0,003 Гн и плоского конденсатора емкостью С=13,4*10^-10Ф. Определите период свободных колебаний в контуре.

Билет №14

1. Переменный электрический ток. Активное сопротивление. Конденсатор и катушка индуктивности в цепи переменного тока. Резонанс в электрической цепи.

2. Катушка с индуктивным сопротивлением Х_L=500 Ом присоединена к источнику переменного напряжения, циклическая частота которого ω=6280 Гц. Определите индуктивность катушки L.

Билет №15

1. Электромагнитные волны. Свойства ЭМВ. Осуществление радио- и телевизионной связи.

2. Экспериментальное обнаружение ЭМВ (опыты Герца)

Билет №16

1. Излучение. Виды излучений. Спектры излучения. Инфракрасное, ультрафиолетовое и рентгеновское излучения.

2. Используя шкалу излучений молекул, атомов и ядер укажите диапазоны всех видов излучений.

Билет №17

1. Квантовая физика. Законы и теория фотоэффекта. Фотоны. Применение фотоэффекта. Химическое действие света.

2. Определите энергию фотона, соответствующую длине волны λ = 5,0*10^-7 м.

Билет №18

1. Атомная физика. Строение атома. Квантовые постулаты Бора. Трудности теории Бора. Лазеры.

2. Определите длину волны света, испускаемого атомом водорода при его переходе из стационарного состояния с энергией Е₄=-0,85 эВ (к=4) в состояние с энергией Е₂=-3,4 эВ (n=2) (1эВ=1,6*10^-19Дж)

Билет №19

1. Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц. Открытие радиоактивности. Радиоактивные превращения. Законы радиоактивного распада.

2. во сколько раз уменьшится число атомов одного из изотопов радона за 1,91 сут.? Период полураспада этого изотопа радона Т=3,82 сут.

Билет №20

1. Изотопы. Строение атомного ядра (протонно-нейтронная модель). Ядерные силы. Энергия связи атомных ядер.

2. Пользуясь периодической системой элементов Д.И. Менделеева, определите число протонов и число нейтронов в ядрах атомов фтора, аргона, брома.

Билет №21

1. Ядерные реакции. Деление ядер урана. Ядерный реактор. Термоядерные реакции, применение ядерной энергии.

2. Рассказать об основных элементах ядерного реактора.

Задача к билету №1

Определите массу (m₀) одной молекулы алюминия, находящейся в алюминиевой отливке массой m = 5,4 кг., количество вещества υ=200 моль.

Задача к билету №2

Найдите давление идеального газа (р), при температуре t=27°С и концентрации молекул n=3*10¹⁰

Задача к билету №3

Определите относительную влажность воздуха φ, при неизменной температуре, если давление водяного пара р=2,33, а давление насыщенного пара р₀=3,17.

Задача к билету №4

Латунная проволока диаметром D=0,8 мм имеет длину l=3,6 м. Под действием силы F=25 Н проволока удлиняется на ∆l=2мм. Определить модуль Юнга для латуни.

Задача к билету №5

Какое количество теплоты нужно передать идеальному газу в цилиндре под поршнем для того, чтобы внутренняя энергия газа увеличилась на 100 Дж и при этом газ совершил работу 200 Дж?

Задача к билету №6

Два неподвижных точечных заряда q₁= -3*10^-8Кл и q₂=1,0*10^-8Кл, расположены на расстоянии r=0,4 м друг от друга. Найти силу (F) взаимодействия данных зарядов.

Задача к билету №7

Конденсатор имеет электроемкость С=5*10^-12Ф. Какой заряд находится на каждой из его обкладок, если разность потенциалов между ними U=1000 В?

Задача к билету №8

Сила тока в цепи, содержащей реостат, I=3,2 А. Напряжение между клеммами реостата U=14,4 В. Каково сопротивление R той части реостата, в которой существует ток?

Задача к билету №9

Гальванический элемент с ЭДС ε=5 В и внутренним сопротивлением r=0,2 Ом замкнут на внешнее сопротивление R=40 Ом. Чему равно напряжение U на внешнем сопротивлении?

Задача к билету №10

На прямолинейный участок проводника с током длиной l = 2 см между полюсами постоянного магнита действует сила F_А=10^-3 Н при силе тока в проводнике I=5 А. Определите магнитную индукцию, если вектор индукции перпендикулярен проводнику.

Задача к билету № 11

В замкнутом контуре за время ∆t=10^-4с магнитный поток изменился на ∆Ф=2*10^-8Вб. Найти ЭДС индукции в данном проводнике.

Задача к билету №12

В катушке с индуктивностью L=0,15 Гн и очень малым сопротивлением r установилась сила тока I=4 А. Какую энергию совершит магнитное поле тока?

Задача к билету №13

Колебательный контур состоит из катушки индуктивностью L=0,003 Гн и плоского конденсатора емкостью С=13,4*10^-10Ф. Определите период свободных колебаний в контуре.

Задача к билету №14

Катушка с индуктивным сопротивлением Х_L=500 Ом присоединена к источнику переменного напряжения, циклическая частота которого ω=6280 Гц. Определите индуктивность катушки L.

Задача к билету №15

Рассказать об экспериментальном обнаружении ЭМВ (опыты Герца)

Задача к билету №16

Используя шкалу излучений молекул, атомов и ядер укажите диапазоны всех видов излучений.

Задача к билету №17

Определите энергию фотона, соответствующую длине волны λ = 5,0*10^-7 м.

Задача к билету №18

Определите длину волны света, испускаемого атомом водорода при его переходе из стационарного состояния с энергией Е₄=-0,85 эВ (к=4) в состояние с энергией Е₂=-3,4 эВ (n=2) (1эВ=1,6*10^-19Дж)

Задача к билету №19

Во сколько раз уменьшится число атомов одного из изотопов радона за 1,91 сут.? Период полураспада этого изотопа радона Т=3,82 сут.

Задача к билету №20

Пользуясь периодической системой элементов Д.И. Менделеева, определите число протонов и число нейтронов в ядрах атомов фтора, аргона, брома.

Задача к билету №21

Рассказать об основных элементах ядерного реактора.

Билет №1

Основные положения молекулярно-кинетической теории (МКТ) строения вещества. Масса и размер молекул. Постоянная Авогадро.

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

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

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

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

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

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

Любое вещество состоит из частиц, поэтому количество вещества v принято считать пропорциональным числу частиц, т. е. структурных элементов, содержащихся в теле.

Единицей количества вещества является моль. Моль — это количество вещества, содержащее столько же структурных элементов любого вещества, сколько содержится атомов в 12 г углерода С12. Отношение числа молекул вещества к количеству вещества называют постоянной Авогадро:

Постоянная Авогадро показывает, сколько атомов и молекул содержится в одном моле вещества. Молярная масса — масса одного моля вещества, равная отношению массы вещества к количеству вещества:

М = m/v.

Молярная масса выражается в кг/моль. Зная молярную массу, можно вычислить массу одной молекулы:

Средняя масса молекул обычно определяется химическими методами, постоянная Авогадро с высокой точностью определена несколькими физическими методами. Массы молекул и атомов со значительной степенью точности определяются с помощью масс-спектрографа.

Массы молекул очень малы. Например, масса молекулы воды:

Молярная масса связана с относительной молекулярной массой Мг. Относительная молекулярная масса — это величина, равная отношению массы молекулы данного вещества к 1/12 массы атома углерода С12. Если известна химическая формула вещества, то с помощью таблицы Менделеева может быть определена его относительная масса, которая, будучи выражена в килограммах, показывает величину молярной массы этого вещества.

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

Билет №2

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

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. Идеальным принято считать газ, если:

а) между молекулами отсутствуют силы притяжения, т. е. молекулы ведут себя как абсолютно упругие тела;

б) газ очень разряжен, т.е. расстояние между молекулами намного больше размеров самих молекул;

в) тепловое равновесие по всему объему достигается мгновенно. Условия, необходимые для того, чтобы реальный газ обрел свойства идеального, осуществляются при соответствующем разряжении реального газа. Некоторые газы даже при комнатной температуре и атмосферном давлении слабо отличаются от идеальных. Основными параметрами идеального газа являются давление, объем и температура.

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

На основании использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено основное уравнение МКТ идеального газа, которое выглядит так: , где р – давление идеального газа, m₀ – масса молекулы, n – концентрация молекул, среднее значение квадрата скорости молекул.

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

Однако, измерив только давление газа, невозможно узнать ни среднее значение кинетической энергии молекул в отдельности, ни их концентрацию. Следовательно, для нахождения микроскопических параметров газа нужно измерение еще какой-то физической величины, связанной со средней кинетической энергией молекул. Такой величиной является температура. Температура — скалярная физическая величина, описывающая состояние термодинамического равновесия (состояния, при котором не происходит изменения микроскопических параметров). Как термодинамическая величина температура характеризует тепловое состояние системы и измеряется степенью его отклонения от принятого за нулевое, как молекулярно-кинетическая величина — характеризует интенсивность хаотического движения молекул и измеряется их средней кинетической энергией. Е_к = 3/2 kT, где k = 1,38 • 10^-23 Дж/К и называется постоянной Больцмана.

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

Единица температуры по абсолютной шкале называется Кельвином и выбрана равной одному градусу по шкале Цельсия 1 К = 1 °С. В шкале Кельвина за ноль принят абсолютный ноль температур, т. е. температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме равно нулю. Вычисления дают результат, что абсолютный нуль температуры равен -273 °С. Таким образом, между абсолютной шкалой температур и шкалой Цельсия существует связь Т = t °C + 273. Абсолютный нуль температур недостижим, так как любое охлаждение основано на испарении молекул с поверхности, а при приближении к абсолютному нулю скорость поступательного движения молекул настолько замедляется, что испарение практически прекращается. Теоретически при абсолютном нуле скорость поступательного движения молекул равна нулю, т. е. прекращается тепловое движение молекул.

Билет №3

Агрегатное состояние газообразных, жидких и твердых тел. Взаимные превращения жидкостей и газов. Влажность воздуха.

Все вещества, независимо от их агрегатного состояния, состоят из огромного числа частиц (молекул, атомов или ионов), эти частицы непрерывно и хаотически движутся, а также взаимодействуют между собой. Эти положения имеют опытное подтверждение.

Опытным обоснованием дискретности строения вещества является растворение краски в воде, приготовление чая и многие технологические процессы.

Непрерывность, хаотичность движения частиц вещества подтверждается существованием ряда явлений: диффузии — самопроизвольного перемешивания разных веществ вследствие проникновения частиц одного вещества между частицами другого; броуновского движения — беспорядочного движения взвешенных в жидкостях мелких частиц под действием ударов молекул жидкости.

О том, что частицы вещества взаимодействуют между собой, говорят опытные факты: притяжение (слипание, смачивание, усилие при растяжении), отталкивание (упругость, несжимаемость твердых и жидких тел). Силы взаимодействия частиц вещества проявляются только на расстояниях, сравнимых с размерами самих частиц.

Агрегатное состояние вещества зависит от характера движения и взаимодействия частиц. Газообразное состояние (газы легко сжимаются, занимают весь объем, имеют малую плотность) характеризуется большими расстояниями и слабым взаимодействием частиц вещества; жидкое состояние (жидкости практически не сжимаются, принимают форму сосуда) характеризуется плотной упаковкой и ближним порядком в расположении частиц; твердое состояние (тела несжимаемы), кристаллическое строение характеризуется плотной упаковкой и дальним порядком в расположении частиц.

Испарение — это парообразование, происходящее с поверхности жидкости. Молекулы жидкости при одной и той же температуре движутся с разными скоростями. Если достаточно быстрая молекула окажется у поверхности жидкости, то она может преодолеть притяжение соседних молекул и вылететь из жидкости. Вылетевшие с поверхности жидкости молекулы образуют пар. Одновременно с испарением происходит перенос молекул из пара в жидкость. Явление превращения пара в жидкость называется конденсацией.

Если нет притока энергии к жидкости извне, то испаряющаяся жидкость охлаждается. Конденсация пара сопровождается выделением энергии.

Скорость испарения жидкости зависит от рода жидкости и от ее температуры, от площади ее поверхности, от движения воздушных масс (ветра) над поверхностью жидкости.

Кипение — это испарение изнутри и с поверхности жидкости. При нагревании жидкости пузырьки воздуха (он растворен в ней) внутри нее постепенно растут. Архимедова сила, действующая на пузырьки, увеличивается, они всплывают и лопаются. Эти пузырьки содержат не только воздух, но и водяной пар, так как жидкость испаряется внутрь этих пузырьков.

Температура кипения — это температура, при которой жидкость кипит о В процессе кипения при t = const к жидкости следует подводить энергию путем теплообмена, т. е. подводить теплоту для парообразования (Qn): Qn = rm. Теплота парообразования пропорциональна массе вещества, превратившегося в пар.

Содержание водяного пара в воздухе – его влажность характеризуется рядом величин:

1. Парциальое давление – давление которое производил бы водяной пар, если бы все остальные газы отсутствовали.

2. Относительная влажность – данная величина показывает, насколько водяной пар при данной температуре далек от насыщения.

Относительной влажностью воздуха (φ) называют отношение парциального давления водяного пара р, содержащегося в воздухе при данной температуре, к давлению р₀ насыщенного пара при той же температуре, выраженного в процентах: φ=р/ р₀*100%

3. Точка росы

Температуру t_р при которой водяной пар становится насыщенным, называют точкой росы.

Влажность воздуха измеряют с помощью особых приборов – гидрометров и психрометров.

Билет №4

Кристаллические и аморфные тела. Деформация твердых тел и ее виды. Механические свойства твердых тел.

Каждый может легко разделить тела на твердые и жидкие. Однако это деление будет только по внешним признакам. Для того чтобы выяснить, какими же свойствами обладают твердые тела, будем их нагревать. Одни тела начнут гореть (дерево, уголь) — это органические вещества. Другие будут размягчаться (смола) даже при невысоких температурах — это аморфные. Третьи будут изменять свое состояние при нагревании так, как показано на графике (рис. 17). 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 изотропны. Это значит, что свойства одинаковы по всем направлениям. Переход из аморфного состояния в жидкое происходит постепенно, отсутствует определенная температура плавления. Аморфные тела не обладают упругостью, они пластичны. В аморфном состоянии находятся различные вещества: стекла, смолы, пластмассы и т. п.

Деформацией называется изменение формы или объема тела.

Деформации, которые полностью исчезают после прекращения действия внешних сил, называется упругими. Например, упругую деформацию испытывает пружина.

Деформации, которые не исчезают после прекращения действия внешних сил, называется пластическими. Например, воск, пластилин, глина.

Любые деформации твердых тел можно свести к двум видам: растяжению (или сжатию) и сдвигу.

Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением ∆l=l-l₀ и относительным удлинением ε=∆l/ l₀, где l₀ – начальная длина, а l – конечная длина стержня. Например, деформацию растяжения испытывают тросы, канаты, цепи в подъемных устройствах.

Деформацию сжатия испытывают столбы, колонны, стены, фундаменты зданий и т.п.

Деформацию, при которой происходит смещение слоев друг относительно друга, называют деформацией сдвига. Также существует изгиб – деформация, сводящаяся к растяжениям и сжатиям, различным в разных частях тела.

Состояние деформированного тела характеризуют особой величиной, называемой напряжением. Напряжение – величина, равная отношению модуля F силы упругости к площади поперечного сечения S тела: σ=F/S (Па)

Механические свойства твердых тел:

1. Упругость — свойство тел восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешних сил или других причин, вызвавших деформацию тел. Для упругих деформаций справедлив закон Гука, согласно которому упругие деформации прямо пропорциональны вызывающим их внешним воздействиям σ = Е|ε|, где σ — механическое напряжение, ε — относительное удлинение, Е — модуль Юнга (модуль упругости). Подставим формулу нахождения напряжения и относительного удлинения в данную формулу получим: F=S Е ∆l / l₀Упругость обусловлена взаимодействием и тепловым движением частиц, из которых состоит вещество.

2. 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.

3. Хрупкость – свойство твердых тел разрушаться при небольших деформациях.

4. Прочность – свойство твердых тел сохранять свою форму при больших нагрузках.

Билет №5

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

Каждое тело имеет вполне определенную структуру, оно состоит из частиц, которые хаотически движутся и взаимодействуют друг с другом, поэтому любое тело обладает внутренней энергией. Внутренняя энергия — это величина, характеризующая собственное состояние тела, т. е. энергия хаотического (теплового) движения микрочастиц системы (молекул, атомов, электронов, ядер и т. д.) и энергия взаимодействия этих частиц. Внутренняя энергия одноатомного идеального газа определяется по формуле U = 3/2 • m/М • RT.

Внутренняя энергия тела может изменяться только в результате его взаимодействия с другими телами. Существует два способа изменения внутренней энергии: теплопередача и совершение механической работы (например, нагревание при трении или при сжатии, охлаждение при расширении).

Теплопередача — это изменение внутренней энергии без совершения работы: энергия передается от более нагретых тел к менее нагретым. Теплопередача бывает трех видов: теплопроводность (непосредственный обмен энергией между хаотически движущимися частицами взаимодействующих тел или частей одного и того же тела); конвекция (перенос энергии потоками жидкости или газа) и излучение (перенос энергии электромагнитными волнами). Мерой переданной энергии при теплопередаче является количество теплоты (Q).

Эти способы количественно объединены в закон сохранения энергии, который для тепловых процессов читается так: изменение внутренней энергии замкнутой системы равно сумме количества теплоты, переданной системе, и работы внешних сил, совершенной над системой. , где ∆U— изменение внутренней энергии, Q — количество теплоты, переданное системе, А — работа внешних сил. Если система сама совершает работу, то ее условно обозначают А'. Тогда закон сохранения энергии для тепловых процессов, который называется первым законом термодинамики, можно записать так: , т.е. количество теплоты, переданное системе, идет на совершение системой работы и изменение ее внутренней энергии.

При изобарном нагревании газ совершает работу над внешними силами , где V₁ и V₂ — начальный и конечный объемы газа. Если процесс не является изобарным, величина работы может быть определена площадью фигуры ABCD, заключенной между линией, выражающей зависимость p(V), и начальным и конечным объемами газа V

Рассмотрим применение первого закона термодинамики к изопроцессам, происходящим с идеальным газом.

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

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

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

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

Билет №6

Электрический заряд. Взаимодействие заряженных тел. Закон Кулона. Закон сохранения электрического заряда.

Законы взаимодействия атомов и молекул удается понять и объяснить на основе знаний о строении атома, используя планетарную модель его строения. В центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются по определенным орбитам отрицательно заряженные частицы. Взаимодействие между заряженными частицами называется электромагнитным. Интенсивность электромагнитного взаимодействия определяется физической величиной — электрическим зарядом, который обозначается q. Единица электрического заряда — кулон (Кл). 1 кулон — это такой электрический заряд, который, проходя через поперечное сечение проводника за 1 с, создает в нем ток силой 1 А. Способность электрических зарядов как к взаимному притяжению, так и к взаимному отталкиванию объясняется существованием двух видов зарядов. Один вид заряда назвали положительным, носителем элементарного положительного заряда является протон. Другой вид заряда назвали отрицательным, его носителем является электрон. Элементарный заряд равен Заряд частиц всегда представляется числом, кратным величине элементарного заряда.

Полный заряд замкнутой системы (в которую не входят заряды извне), т. е. алгебраическая сумма зарядов всех тел, остается постоянной: q1 + q2 + ... + qn = const. Электрический заряд не создается и не исчезает, а только переходит от одного тела к другому. Этот экспериментально установленный факт называется законом сохранения электрического заряда. Никогда и нигде в природе не возникает и не исчезает электрический заряд одного знака. Появление и исчезновение электрических зарядов на телах в большинстве случаев объясняется переходами элементарных заряженных частиц — электронов — от одних тел к другим.

Электризация — это сообщение телу электрического заряда. Электризация может происходить, например, при соприкосновении (трении) разнородных веществ и при облучении. При электризации в теле возникает избыток или недостаток электронов.

В случае избытка электронов тело приобретает отрицательный заряд, в случае недостатка — положительный.

Законы взаимодействия неподвижных электрических зарядов изучает электростатика.

Основной закон электростатики был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Кулоном и читается так: модуль силы взаимодействия двух точечных неподвижных электрических зарядов в вакууме прямо пропорционален произведению величин этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.

r — расстояние между ними, k — коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц. В СИ

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

В СИ коэффициент k принято записывать следующим образом: — электрическая постоянная, численно равная

С использованием электрической постоянной закон Кулона имеет вид:

Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют электростатическим или кулоновским взаимодействием. Кулоновские силы можно изобразить графически

Билет №7

Электрическое поле. Силовые линии электрического поля. Напряженность и разность потенциалов. Проводники и диэлектрики. Конденсаторы.

Взаимодействие электрических зарядов объясняется тем, что вокруг каждого заряда существует электрическое поле. Электрическое поле заряда – это материальный объект, оно непрерывно в пространстве и способно действовать на другие электрические заряды. Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами, существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.

Заряды, находясь на некотором расстоянии один от другого, взаимодействуют. Это взаимодействие осуществляется посредством электрического поля. Наличие электрического поля можно обнаружить, помещая в различные точки пространства электрические заряды. Если на заряд в данной точке действует электрическая сила, то это означает, что в данной точке пространства существует электрическое поле. Силовой характеристикой электрического поля служит напряженность E. Если на находящийся в некоторой точке заряд q₀ действует сила F, то напряженность электрического поля Е равна: Е=F/q₀. Графически силовые поля изображают силовыми линиями. Силовая линия – это линия, касательная в каждой точке которой совпадает с вектором напряженности электрического поля в этой точке.

Напряженность электрического поля – это физическая величина, численно равная силе, действующей на единичный заряд, помещенный в данную точку поля. За направление вектора напряженности принимают направление силы, действующей на точечный положительный заряд.

Однородное электрическое поле – это такое поле, во всех точках которого напряженность имеет одно и то же абсолютное значение и направление. Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными металлическими пластинами. Силовые линии такого поля являются прямыми одинаковой густоты.

Если на заряд действуют одновременно несколько электрических полей, то напряженность поля равна векторной сумме напряженностей всех полей (принцип суперпозиции):

Рассмотрим поле точечного заряда. Напряженность этого поля в любой точке равна Согласно закону Кулона Следовательно, напряженность поля точечного заряда

Кроме напряженности, важной характеристикой электрического поля является потенциал . Потенциал  - это энергетическая характеристика электрического поля, тогда как напряженность E – это его силовая характеристика, потому что потенциал равен потенциальной энергии, которой обладает единичный заряд в данной точке поля, а напряженность равна силе, с которой поле действует на этот единичный заряд.

=W_пот/q, Здесь W_пот – потенциальная энергия заряда q в данной точке поля. Работа перемещения заряда А в электрическом поле определяется выражением A=q(₁-₂) или А=qU. Здесь ₁-₂ разность потенциалов (или падение потенциала , или напряжение U) между точками с потенциалами, ₁ и _2.

Диэлектриками или изоляторами называются тела, которые не могут проводить через себя электрические заряды. Это объясняется отсутствием в них свободных зарядов.

Если одни конец диэлектрика внести в электрическое поле, то перераспределения зарядов не произойдет, т. к. в диэлектрике нет свободных носителей заряда. Оба конца диэлектрика будут нейтральны. Притяжение незаряженного тела из диэлектрика к заряженному телу объясняется тем, что в электрическом поле происходит поляризация диэлектрика, т. е. смещение в противоположные стороны разноименных связанных зарядов, входящих в состав атомов и молекул вещества.

Диэлектрическая проницаемость вещества – это физическая величина, равная отношению модуля напряженности электрического поля в вакууме к напряженности электрического поля в однородном диэлектрике

Диэлектрическая проницаемость показывает, во сколько раз диэлектрик ослабляет электрическое поле.

Проводниками называются тела, способные пропускать через себя электрические заряды. Это свойство проводников объясняется наличием в них свободных носителей заряда. Примерами проводников могут быть металлы и растворы электролитов.

Если взять металлический проводник и один его конец поместить в электрическое поле, то на данном конце появится электрический заряд. Согласно закону сохранения электрического заряда, на другом конце проводника появится равный ему по модулю и противоположный по знаку заряд. Явление разделения разноименных зарядов в проводнике, помещенном в электрическое поле, называется электростатической индукцией.

Конденсатор – это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников. Так, например, две плоские металлические пластины, расположенные параллельно и разделенные слоем диэлектрика, образуют плоский конденсатор.

Если пластинам плоского конденсатора сообщить равные по модулю заряды противоположного знака, то напряженность электрического поля между пластинами будет в два раза больше, чем напряженность поля у одной пластины. Вне пластин напряженность электрического поля равна нулю, т. к. равные заряды разного знака на двух пластинах создают вне пластин электрические поля, напряженности которых равны по модулю, но противоположны по направлению.

Электроемкостью конденсатора называется физическая величина, определяемая отношением заряда одной из пластин к напряжению между обкладками конденсатора:

Билет №8

Электрический ток. Сила тока. Электродвижущая сила. Закон Ома для участка цепи. Работа и мощность постоянного тока.

Электрическим током называют упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. Электрический ток возникает при упорядоченном перемещении свободных электронов или ионов.

За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. Если ток образован движением отрицательно заряженных частиц, то направление тока считают противоположным направлению движения частиц.

Действие электрического тока: тепловое (проводник, по которому течет ток, нагревается), химическое (эл. ток может изменять химический состава проводника), магнитное (ток оказывает силовое воздействие на соседние токи и намагниченные тела).

Сила тока – отношение заряда, пронесенного через поперечное сечение проводника за интервал времени, к этому интервалу времени.

Сила тока, как и заряд, величина скалярная. Она может быть как положительной, так и отрицательной. За положительное направление силы тока принято движение положительных зарядов. Если с течением времени сила тока не меняется, то ток называется постоянным.

Единица — 1Ампер.

Для того, чтобы в проводнике существовал электрический ток длительное время, необходимо поддерживать неизменными условия, при которых возникает электрический ток.

Во внешней цепи электрические заряды движутся под действием сил электрического поля. Но, чтобы поддерживать разность потенциалов на концах внешней цепи, необходимо перемещать электрические заряды внутри источника тока против сил электрического поля. Такое перемещение может осуществляться только под действием сил неэлектростатической природы.

Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами. Сторонние силы в гальваническом элементе или аккумуляторе возникают в результате электрохимических процессов, происходящих на границе раздела электрод – электролит. В машине постоянного тока сторонней силой является сила Лоренца.

Полная работа сил электростатического поля при движении зарядов по замкнутой цепи постоянного тока равна нулю. Следовательно, вся работа электрического тока в замкнутой электрической цепи оказывается совершенной за счет действия сторонних сил, вызывающих разделение зарядов внутри источника и поддерживающих постоянное напряжение на выходе источника тока.

Отношение работы сторонних сил по перемещению заряда вдоль цепи называется электродвижущей силой источника:

Электродвижущая сила выражается в тех же единицах, что и напряжение, т. е. в вольтах.

ЭДС численно равна работе по перемещению единичного положительного заряда. Работа сторонних сил не может быть выражена через разность потенциалов, так как сторонние силы не консервативные (потенциальные) и их работа зависит от траектории.

Напряжение, сила тока и сопротивление — физические величины, характеризующие явления, происходящие в электрических цепях. Эти величины связаны между собой. Эту связь впервые изучил немецкий физик Ом.

Закон Ома звучит так: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на этом участке (при заданном сопротивлении) и обратно пропорциональна сопротивлению участка (при заданном напряжении): . Из формулы следует, что . Так как сопротивление данного проводника не зависит ни от напряжения, ни от силы тока, то последнюю формулу надо читать так: сопротивление данного проводника равно отношению напряжения на его концах к силе протекающего по нему тока.

Причиной сопротивления металлического проводника является взаимодействие электронов при их движении с ионами кристаллической решетки. Отсюда предположение: сопротивление проводника зависит от его длины и площади поперечного сечения, а также от металла, из которого изготовлен проводник.

На все эти вопросы ответил Ом. Он установил, что сопротивление прямо пропорционально длине проводника, обратно пропорционально площади его поперечного сечения и зависит от вещества проводника. Вещество проводника характеризует удельное сопротивление - это сопротивление проводника из данного вещества длиной 1 м, площадью поперечного сечения 1 мм².

Зависимость сопротивления проводника от его размеров и вещества выражают формулой:

Работу сил электрического поля, создающего электрический ток, называют работой тока. Работа сил электрического поля или работа тока на участке цепи с электрическим сопротивлением R за время t равна:

Мощность электрического тока равна работе тока за единицу времени:

Если на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химические превращения веществ, то работа электрического поля приводит только к нагреванию проводника. При этом работа тока равна количеству теплоты, выделяемой проводников с током:

Этот закон был экспериментально установлен английским ученым Джоулем и русским ученым Ленцем, поэтому носит название Джоуля – Ленца.

Билет №9

1. Электрические цепи. Последовательное и параллельное соединение проводников. Закон Ома для полной цепи.

От источника тока энергия может быть передана по проводам к устройствам, потребляющим энергию: электрической лампе, электродвигателю, радиоприемнику и т.д. Для этого составляют электрические цепи различной сложности. Эл. цепь состоит из источника энергии, устройств, потребляющих эл. энергию, соединительных проводов и выключателей для замыкания цепи. Часто в эл. цепь включают приборы, контролирующие силу тока и напряжение на различных участках цепи, - амперметры и вольтметры.

Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно.

При последовательном соединении электрическая цепь не имеет разветвлений, все проводники включают в цепь поочередно друг за другом.

Сила тока во всех проводниках одинакова, так как в проводниках электрический заряд не накапливается и через поперечное сечение проводника за определенное время проходит один и тот же заряд:

Напряжение на концах данного участка цепи складывается из напряжений на каждом проводнике:

(1)

По закону Ома для участка цепи:

и (2),

где R – полное сопротивление участка цепи из последовательно соединенных проводников. Из выражений (1) и (2) получаем: . Таким образом:

При последовательном соединении проводников их общее электрическое сопротивление равно сумме электрических сопротивлений всех проводников.

Из соотношений (2) следует, что напряжения на последовательно включенных проводниках прямо пропорциональны их сопротивлениям:

При параллельном соединении электрическая цепь имеет разветвления (точку разветвления называют узлом). Начала и концы проводников имеют общие точки подключения к источнику тока.

При этом напряжение на всех проводниках одинаково. Сила тока равна сумме сил токов во всех параллельно включенных проводниках, так как в узле электрический заряд не накапливается, поступающий за единицу времени в узел заряд равен заряду, уходящему из узла за то же время:

(1)

Для всех параллельно включенных проводников на основании закона Ома для участка цепи запишем:

(2)

Обозначив общее сопротивление участка электрической цепи через R, для силы тока в неразветвленной цепи получим

(3)

Из выражений (1), (2) и (3) следует:

Пи параллельном соединении проводников, общая проводимость цепи равна сумме проводимостей всех параллельно соединенных проводников.

Если в результате прохождения постоянного тока в замкнутой электрической цепи происходит только нагревание проводников, то по закону сохранения энергии полная работа электрического тока в замкнутой цепи, равная работе сторонних сил источника тока, равна количеству теплоты, выделившейся на внешнем и внутреннем участках цепи:

(1)

По закону Джоуля – Ленца количество теплоты, выделяющееся на проводнике сопротивлением R при силе тока I за время t равна:

Полное количество теплоты, выделяющееся при протекании постоянного тока в замкнутой цепи, внешний и внешний и внутренний участки которого имеют сопротивления R и r, равно:

(2)

Из выражений (1) и (2) получаем:

, но , следовательно,

Или

- закон Ома для полной цепи.

Сила тока в полной электрической цепи прямо пропорциональна ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Билет №10