13. Рівновага тіл. Момент сили. Умова рівноваги тіл, що має вісь обертання.

Статика – розділ фізики, що вивчає умови рівноваги тіл.

Рівновага тіла – стан механічної системи, в якому тіла залишаються нерухомими відносно обраної системи

відліку.

Перша умова рівноваги тіла (системи тіл) за відсутності осі обертання:

Тіло (система тіл) знах у рівновазі, якщо

векторна сума сил, прикладених

до тіла (що діють у системі тіл),

дорівнює нулю.

За одиницю моменту сили у СІ

прийнято момент сили 1Н, лінія

дії якої віддалена від осі

обертання на 1м – [M] = Н*м

Друга умова рівноваги тіла, що

має вісь обертання: тіло

знаходиться у рівновазі тоді,

коли алгебраїчна сума моментів

сил, які прикладені до тіла,

дорівнює нулю.

Центр мас – точка, через яку повинна

проходити лінія дії сили, щоб під

дією цієї сили тіло рухалось

поступально.Центр ваги – точка прикладання сили тяжіння, що діє на тіло. В однорідному полі тяжіння центр ваги і центр

мас співпадають.

14. Кінетична і потенціальна енергія. Закон

збереження енергії в механічний процесах.

Кінети чна ене ргія — частина енергії фізичної системи, яку

вона має завдяки руху.

Кінетичну енергію заведено позначати або .

У випадку частинки із масою та швидкістю кінетична

енергія дається формулою

Кінетична енергія в системі багатьох часток є адитивною

величиною, тобто

Наприклад, при обертанні твердого тіла з моментом

інерції із кутовою швидкістю кінетична енергія

визначається, як

В лагранжевому формалізмі механіки кінетична енергія

для частинки узагальненої координати із масою та

узагальненою швидкістю дається формулою

У гамі

льтон

овом

у

форм

алізмі

:

,

де p — узагальнений імпульс.

У квантовій механіці оператор кінетичної енергії

частинки задається формулою

Теорія відносності

Кінетична енергія залежить від системи відліку, оскільки від неї залежить швидкість. Справді, для

спостерігача, що рухається паралельно з тілом, за яким ведеться спостереження, тіло здається непорушним, а, отже, не має кінетичної енергії. Для спостерігача в іншій системі відліку це тіло рухається, а, отже, небезпечне

при зіткненні.

Зважаючи на те, що при швидкостях руху, близьких до швидкості світла у вакуумі, старий вигляд формули

для кінетичної енергії не підходить, його необхідно змінити. Кінетична енергія повинна бути визначена як

різниця повних енергій рухомої й нерухомої частинок.

, де m — маса частинки, c — швидкість світла у вакуумі.

отен іа льна ене ргі — частина енергії фізичної системи, що виникає завдяки взаємодії між тілами, які

складають систему, та із зовнішніми щодо цієї системи тілами, й зумовлена розташуванням тіл у просторі.

Разом із кінетичною енергією, яка враховує не тільки положення тіл у просторі, а й рух, потенціальна енергія

складає механічну енергію фізичної системи.

Потенціальна енергія матеріальної точки визначається як робота з її переміщення із точки простору, для якої

визначається потенціальна енергія у якусь задану точку, потенціальна енергія якої приймається за нуль.

Потенціальна енергія визначається лише для поля консервативних сил.

Потенціальна енергія здебільшого позначається літерами або

Потенціальна енергія тіла масою , піднятого над поверхнею землі на висоту дається формулою

,

де — прискорення вільного падіння.

Потенціальна енергія пружної деформації тонкого стрижня або пружини

,

де — коефіцієнт жорсткості, — абсолютне видовження.

Потенціальна енергія тіла масою в полі гравітації іншого тіла масою при віддалі між ними дається

формулою

,

де G — гравітаційна стала.

Потенційна енергія заряду в електростатичному полі

заряду при віддалі між ними дорівнює

.

Закон збереження механічної енергії: повна

механічна енергія системи тіл, у якій діють лише

консервативні сили (потенціальні), є величина стала.

Консервативні сили – це сили тяжіння, пружності,

кулонівські сили. Консервативна сила – сила, робота

якої при переміщенні тіла залежить тільки від початкового і кінцевого положень тіла в просторі.

Наприклад робота сили тяжіння: Робота консервативних сил у будь-якому замкнутому контурі дорівнює нулю.

Розділ "Молекулярна фізика"

15. 15. Основні положення

молекулярно-кінетичної теорії та їх

дослідне обґрунтування.

Броунівський рух. Маса і розмір молекул. Стала

Авогадро. Кількість речовини.16. Власти

вість газів. Модель ідеального газу. Тиск газу.

Основне рівняння молекулярно-кінетичної

теорії ідеального газу.17. Внутрішня енергія тіла. Два способи зміни внурішньої енергії тіла. Робота газу. Кількість теплоти.

1. Способи зміни внутрішньої енергії тіла

Внутрішня енергія (U) — енергія макроскопічного тіла, яка включає в себе енергію хаотичного (теплового) руху всіх

мікрочастинок системи (кінетичну енергію) і енергію взаємодії цих частинок (потенціальну енергію).

Внутрішня енергія змінюється: 1) при теплообміні (теплопередачі) та 2) при здійсненні роботи над тілом ( чи

самим тілом).

1) Теплообмін (або теплопередача) – зміна внутрішньої енергії речовини, зумовлена різницею температур. Здійснюється

за рахунок взаємних перетворень рухів на мікроскопічному рівні.

Існує три способи теплообміну:

- теплопровідність;(вид теплопередачі, при якій передавання внутрішньої енергії від одних тіл до інших відбувається

при їх безпосередньому контакті і зумовлена взаэмодією атомів і молекул. Висока теплопровідність у металів.

Найменша у вакуумі.)

-

- конвекція; (вид теплопередачі, при якій внутрішня енергія одних тіл до інших передається рухомими струменями

рідини або газу. Призводить до виникнення вітру на березі моря.)

-

- випромінювання. (Теплообмін зумовлений передачею енергії світловим потоком. Цей вид теплопередачі

відрізняється від інших тим, що може здійснюватися у

вакуумі.)

-

Кількість теплоти (Q) — міра внутрішньої енергії,

переданої в процесі теплообміну від одного

макроскопічного тіла до іншого без виконання роботи.

Одиниця кількості теплоти – джоуль, [Q]= 1 Дж.

Рівняння теплового балансу описує теплообмін у

замкненій системі: Qотр  Qвідд

,

де Qотр

- сумарна кількість теплоти, одержана тілом при

теплообміні;

Qвідд

- сумарна кількість теплоти, віддана тілом при

теплообміні.

Кількість теплоти, яка необхідна для нагрівання тіла і яка

виділяється при охолодженні тіла, розраховується за

формулою: Q  cmT ,

де с – питома теплоємність речовини;m – маса тіла;

∆T – зміна температури тіла.

Ми вже знаємо, що внутрішню енергію тіла можна збільшити, виконавши роботу —за допомогою тертя або стиску газу. А коли газ

розширюється, він сам виконує роботу, і його внутрішня енергія зменшується.

А чи можна змінити внутрішню енергію тіла, не виконуючи роботи?

Звичайно, можна: так, гарячий чай у склянці остигає —його температура поступово наближається до кімнатної. А ложка, опущена в

гарячий чай, нагрівається, її внутрішня енергія збільшується. Але робота при цьому не відбувається.

 Зміну внутрішньої енергії тіла без виконання роботи називають теплообміном.

При теплообміні відбувається зміна енергії.

 Енергію, яку одержує або віддає тіло при теплообміні, називають кількістю теплоти.

Кількість теплоти позначають звичайноQ. Якщо в процесі теплообміну внутрішня енергія тіла збільшується, то , а якщо зменшується, то .

Кількість теплоти вимірюють у джоулях.

Питома теплоємність (с) – фізична величина, яка показує, яку кількість теплоти отримує або віддає 1 кг речовини при

зміні її температури на 1 К ( або 1 о

С).

Кількість теплоти, яка поглинається під час плавлення, або виділяється під час кристалізації твердого тіла, визначається

за формулою: Q  Lm,

де L – питома теплота плавлення

Кількість теплоти, необхідна для випаровування або виділяється при конденсації, визначається за формулою:

Q  rm,

де r – питома теплота пароутворення.

Кількість теплоти, яка виділяється під час згорання палива, визначається за формулою:

Q  qm,де q – питома теплота згорання палива.

2) другий спосіб зміни внутрішньої енергії тіла – виконання механічної роботи.

Кількість теплоти отриманої у результаті виконання механічної роботи дорівнює зміні механічної енергії системи:

Q  A  E18. Перший закон термодинаміки. Застосування першого закону термодинаміки до ізороцесів.

Адіабатний процес.

Закон збереження і перетворення енергії, поширений на теплові явища, називається першим законом

термодинаміки.!

Закони термодинаміки

Перший закон термодинаміки (два формулювання):

1) Результатом одержання системою кількості теплоти Q є збільшення внутрішньої енергії системи і

виконання нею роботи проти зовнішніх сил: (звідси , , тобто робота А не більша

за кількість теплоти Q (не може існувати «вічний

двигун 1-го роду», який би дозволяв виконувати

роботу ).

2) Приріст внутрішньої енергії системи може

бути результатом і теплопередачі системі, і

виконання над нею роботи зовнішніми

силами: , де .19. Температу

ра, її фізичний

зміст.

Вимірювання

температури.

Температурні

шкали.

Температура – це

величина, яка х-зує

теплову рівновагу

системи. У всіх

частинах системи,

що перебуває в

тепловій рівновазі,

температура однакова.

У молекулярно-кінетичній теорії температура – це

величина, зумовлена середньою кінетичною

енергією частинок, із яких складається система:

- для одноатомних молекул

- для двоатомних молекул.

K=1.38

– стала Больцмана, яка звязуэ

температуру в енергетичних одиницях з температурою в кельвінах. (T) 20. Рівняння стану

ідеального газу.

Ізопроцеси в газах. Газові

закони.21. Властивості рідин. Поверхневий натяг. Коефіцієнт натягу. Капілярні явища. Явища змочування і

капілярності в живій природі й техніці.22. Пароутворення і конденсація. Питома теплота пароутворення. Насичена і ненасичена пара.

Кипіння. Температура кипіння.

Будь-яка речовина за певних умов може знаходитися в різних агрегатних станах – твердому, рідкому і

газоподібному. Перехід з одного стану в інше називається фазовим переходом. Випар і конденсація є

прикладами фазових переходів.

Пара - газоподібне тіло в стані, близьке до киплячої рідини.

Паротворення – процес перетворення речовини з рідкого стану в пароподібний.

Випарування – паротворення, що відбувається завжди при будь-якій температурі з поверхні рідини.

Швидкість випаровування залежить від температури та від тиску пари даної рідини.(у газопод стані)

Конде

нсація

– це

процес,

зворот

ний

процес

у

випару.

При

конден

сації

молеку

ли

пари

повертаються в рідину.23. . Вологість повітря. Прилади для визначення вологості. Точка роси.24. Деформація. Абсолютне та

відносне видовження. Механічна напруга.

Модуль Юнга. Закон Гука. Механічні

властивості твердих тіл.

Властивості твердих тіл

Тверде тіло – агрегатний стан

речовини, який характеризується

стабільністю форми в нормальних

умовах і тим, що атоми в ньому

здійснюють малі коливання

навколо певних фіксованих положень рівноваги. За характером розміщення рівноважних положень атомів тверді тіла поділяють на кристалічні й аморфні.

Аморфний стан— твердий стан речовини, який характеризується ізотропією властивостей і

відсутністю точки плавлення. З підвищенням температури аморфна речовина розм'якшується й переходить у рідкий

стан поступово. Ці особливості зумовлені відсутністю в речовини в аморфному стані строгої

періодичності, властивої кристалам, у розміщенні атомів, іонів, молекул та їх груп на відстані

сотень і тисяч періодів кристалічної решітки. У речовин в аморфному стані існує близький порядок у

розміщенні сусідніх частинок.

До аморфних тіл належать смола, скло, пластмаси.

Кристали – тверді тіла, атоми й молекули яких займають певне, упорядковане положення у просторі. Кристалам

властива анізотропіяфізичних властивостей ( їх залежність від вибраного в кристалі напрямку), наявність температури

плавлення, також властивості кристала зумовлюються видом кристалічної решітки. На малюнку 47 показано приклади

простих кристалічних решіток: 1 – проста кубічна; 2 – гранецентрована кубічна; 3 – об’ємноцентрована кубічна; 4 –

гексагональна решітка.

Кристали поділяються на чотири типи: іонні, атомні, металічні, молекулярні.

Рідкі кристали – речовини в стані, проміжному між твердими кристалічним і ізотропним рідким. Зберігаючи основні

особливості рідин, наприклад текучість, вони мають характерну властивість твердих кристалів – анізотропію фізичних

властивостей.

^ Механічні властивості твердих тіл

Механічні властивості матеріалів —здатність матеріалів протистояти деформуванню і руйнуванню, пружно й

пластично деформуватися під дією зовнішніх механічних сил.

Деформація—зміна форми чи розмірів тіла (або частин тіла) під дією зовнішніх механічних сил, нагрівання чи

охолодження, під дією електричного й магнітного полів та інших впливів, які зумовлюють зміну відносного

розміщення частинок тіла. Внаслідок деформації змінюються міжатомні відстані та відбувається перегрупування

блоків атомів. У твердих тілах розрізняють пружну й пластичну деформацію.

^ Пружна деформація—деформація, яка зникає після припинення дії зовнішньої сили.

Пластична деформація —деформація, в результаті якої змінюються розміри й форма тіла, що не зникають після

припинення дії зовнішньої сили. Тіло, яке зазнало плоскої деформації, зберігає частково чи повністю набуту форму й

змінені розміри. Найпростіші види плоскої деформації тіла в цілому —розтяг, стиск, згин, кручення.

Закон Гука – закон, за яким сила пружності, що виникає під час деформації тіла, пропорційна видовженню тіла і

напрямлена протилежно напряму переміщення частинок тіла під час деформації. Встановлений у 1660 р. англійським

ученим Р. Гуком:

Fпр.= -k∆l, де k – жорсткість тіла, ∆l –його видовження.

Механічна напруга — міра внутрішніх сил, які виникають у деформованому тілі під дією зовнішніх впливів.

Визначається відношенням модуля сили пружності Fпр до площі поперечного перерізу S:

^ Розтяг (стиск)—найпростіша деформація, яка виникає в стержні, коли до його кінців прикладено сили, спрямовані

вздовж осі стержня в протилежні сторони.

Видовження Δl стержня довжиноюl0 при пружних деформаціях визначається формулою:

,де Е—модуль пружності (модуль Юнга).

Жорсткість—здатність тіла або конструкції протидіяти виникненню деформацій при заданому типі навантаження:

чим більша жорсткість, тим менша деформація. У випадку виконання закону Гука жорсткість характеризується мо-

дулем пружності (Юнга): має істотне значення під час розрахунків конструкцій на стійкість. Під жорсткістю розуміють

також коефіцієнт пропорційності k у формулі закону Гука.

^ Модуль Юнга (модуль пружності) (Е) —величина, яка характеризує здатність матеріалів протидіяти деформації

розтягу. Дорівнює відношенню механічної напруги σ до відносного видовження ε, спричиненого цією напругою в

напрямі її дії.

^ Закон Гука можна записати також у вигляді: ,

де ε –відносне видовження .

^ Діаграма розтягу твердих тіл (мал. 48)

Ділянка ОА – при малих деформаціях напруга σ прямо пропорційна відносному

видовженню ε. Виконується закон Гука. Деформація пружна.

Ділянка АВ. Закон Гука не виконується, але деформація пружна. Максимальна

напруга, при якій ще не виникає помітна залишкова деформація, називається

межею пружності σпруж.

Ділянка ВС – пластична деформація.

Ділянка СD – ділянка текучості матеріалу. Подовження відбувається практично без збільшення навантаження.

Ділянка DЕ – подовження відбувається при значному збільшенні навантаження.

При досягненні максимального значення механічної напруги σмм (межа міцності) матеріал розтягується без

збільшення зовнішнього навантаження до самого руйнування в точці К.

Запас міцності (n) визначається відношенням межі міцності σмм до допустимої механічної напруги σдоп : .

Крихкість – властивість матеріалу руйнуватися внаслідок невеликої ( здебільшого пружної) деформації.

Міцність твердих тіл у широкому розумінні —властивість твердих тіл протидіяти руйнуванню (поділу на частини), а

також необоротній зміні форми (пластичній деформації) під дією зовнішніх навантажень, у вузькому розумінні —опір

руйнуванню. Міцність твердих тіл обумовлена в кінцевому результаті силами взаємодії між атомами чи іонами, з яких

складається тіло.

Пластичність – властивість матеріалу твердих тіл зберігати залишкові (пластичні) деформації після припинення дії

зовнішніх сил, які спричинили деформацію.25. Кристалічні та аморфні тіла. Анізотропія кристалів. Поняття про рідкі кристали.26. Плавлення та кристалізація твердих тіл. Температура плавлення. Питома теплота плавлення.

Як відомо, усі тіла за певних умов перебувають у цілком визначеному агрегатному стані - твердому, рідкому чи газоподібному. За

звичайних умов деревина, граніт, залізо та інші метали —це тверді тіла; вода, бензин, ацетон —це рідини; повітря, метан, кисень

— гази. Разом з тим зміна фізичних умов, зокрема температури, може спричинити якісні перетворення їхніх властивостей: тверді

тіла можуть стати рідинами, а рідини утворити газоподібну пару; і навпаки, гази можуть бути скраплені, а рідини затверднути.

Ці перетворення відбуваються внаслідок теплопередачі, яка спричиняє зміни внутрішньої енергії тіл. Якщо, наприклад,

твердому тілу надавати теплоту, його температура поступово підвищуватиметься, а згодом, з досягненням певної температури,

воно почне плавитися. Тепловий процес, під час якого тверде тіло переходить у рідкий стан, називається плавленням.

Плавлення відбувається по-різному у кристалічних і аморфних тіл. У кристалічних тіл, структура яких має чіткий порядок

розміщення атомів і молекул, плавлення починається при досягненні певної температури, яка називається температурою

плавлення.

^ Температура плавлення – це температура, за якої тверда кристалічна речовина переходить у рідкий стан.

В аморфних тіл фіксованої температури плавлення

немає. Речовини мають різну температуру плавлення.

Наприклад, за нормальних умов для вольфраму вона

дорівнює 3387 °С, для сталі вона становить 1300-1500 °С,

а ртуть плавиться при -39 °С.

Кристалізація – це процес переходу речовини з

рідкого стану в кристалічний.

Плавлення відбувається обов'язково з поглинанням

теплоти. Якщо не надавати її тілу, процес плавлення

припиниться. Це пояснюється тим, що для послаблення

взаємодії між атомами і молекулами в твердому тілі, яка

утримує їх у зв'язаному стані, потрібна додаткова

енергія, спроможна зруйнувати таке їх упорядковане

розміщення. Завдяки теплопередачі така енергія може

надходити до тіла і воно почне поступово плавитися. Під час цього процесу температура тіла не змінюється, оскільки

вся енергія йде на руйнування зв'язків між атомами і молекулами.

Оскільки у різних речовин атоми і молекули взаємодіють з неоднаковою силою, то для їх плавлення потрібна різна

кількість теплоти. Тому для характеристики енергетичних затрат, пов'язаних із переходом речовини з твердого стану в

рідкий, вводять фізичну величину, яка називається питомою теплотою плавлення.

Це фізична величина (позначається λ), що дорівнює кількості теплоти, необхідної для перетворення 1 кг речовини із

твердого стану в рідкий за температури плавлення.

Для перетворення 1 кг речовини із твердого стану в рідкий або навпаки —з рідкого в твердий потрібна однакова

кількість теплоти.

Вся енергія, яку одержує кристалічне тіло після того, як воно вже нагріте до температури плавлення, витрачається

на руйнування кристалічних решіток. У зв’язку із цим температура тіла перестає підвищуватися. Досліди показують, що

для перетворення різних кристалічних речовин однієї й тієї ж маси в рідину при температурі плавлення потрібна різна

кількість теплоти.

Питома теплота плавлення дорівнює кількості теплоти, яка необхідна для перетворення 1 кг речовини із

твердого в рідкий стан при температурі плавлення.

Питому теплоту плавлення позначають λ і вимірюють у джоулях на кілограм (Дж/кг).

Необхідно ознайомити учнів з таблицею питомої теплоти плавлення деяких речовин.

Наприклад, питома теплота плавлення міді дорівнює 210 кДж/кг. Це означає, що для того щоб розплавити 1 кг міді,

узятої при температурі плавлення (1085 °С), необхідно затратити 210 кДж теплоти.

Щоб визначити кількість теплоти, необхідну для плавлення твердого тіла, треба питому теплоту плавлення λ

помножити на масу тіла: Кількість теплоти, що виділяється при кристалізації тіла, визначається за тією ж формулою: В аморфних тіл, на відміну від кристалічних, немає певної температури плавлення: при

нагріванні такі тіла розм’якшуються поступово.

27. Принцип дії теплових двигунів. ККД теплового двигуна. Проблеми захисту навколишнього

середовища.Розділ

"Електричне

поле"

28. Елект

ризація тіл.

Електричний

заряд, його

дискретність.

Закон

збереження

електричног

о заряду.

Закон

Кулона.29. Електричне поле. Напруженість електричного поля. Лінії напруженості.

Електричне поле – силове поле простору, в якому заряджені частинки взаємодіють між собою.

– матеріальне середовище, в якому проявляється дія електричного заряду.

Електростатичне поле – електричне поле, створене нерухомими електричними зарядами.

(Основні властивості : 1) створ нерухомими зарядами 2)виявляється за дією на нерухомі заряди.30. Робота при переміщенні заряджених тіл в електричному полі. Потенціал. Різниця потенціалів.

Напруга.31. Електроємність. Конденсатор. Енергія електричного поля конденсатора. Застосовування

конденсаторів у техніці.Розділ "Закон постійного струму"