Шпаргалки по КСЕ

Билет №5

Термодинамика - основной раздел физики, в котором изучение явлений осуществляется на основе: - превращения энергии из одного вида в другой; и - количественных соотношений при таких превращениях.

ПЕРВЫЙ ЗАКОН (первое начало) ТЕРМОДИНАМИКИ

– изменение внутренней энергии системы при переходе ее из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил и количества теплоты, переданного системе

ВТОРОЙ ЗАКОН (второе начало) ТЕРМОДИНАМИКИ

Первая формулировка (Клаузиус, 1850 год): невозможен процесс, при котором тепло самопроизвольно переходит от тел менее нагретых к телам более нагретым.

Вторая формулировка (Томсон, 1851 год): невозможен круговой процесс, единственным результатом которого было бы производство работы за счет уменьшения внутренней энергии теплового резервуара.

Третья формулировка (Оствальд, 1901 год): невозможен вечный двигатель второго рода.

Четвертая формулировка: (Клаузиус, 1865 год): все самопроизвольные процессы в замкнутой неравновесной системе происходят в таком направлении, при котором энтропия системы возрастает; в состоянии теплового равновесия она максимальна и постоянна.

Несмотря на внешнее различие формулировок, они равноценны. Поскольку энтропия является мерой беспорядка в системе, то на основании второго закона термодинамики можно утверждать, что порядок в макроскопических системах стремится уступить место беспорядку.

В 1877 году австрийский физик Больцман дал статистическое обоснование этого закона, указав, что состояния с большей энтропией являются более вероятными. Обратные процессы характеризуются чрезвычайно малой вероятностью и потому не наблюдаются в природе.

ТРЕТИЙ ЗАКОН (третье начало) ТЕРМОДИНАМИКИ

– абсолютный нуль температуры недостижим. К абсолютному нулю можно лишь асимптотически приближаться, никогда не достигая его.

Билет №6

Материя - объективная реальность, данная нам в ощущениях. Считается, что материя существует либо в виде вещества, либо в виде поля. Формами существования материи являются пространство и время.

Вещество́ — форма материи, в отличие от поля, обладающая массой покоя. Вещество состоит из частиц — фермионов, среди которых чаще всего встречаются электроны, протоны и нейтроны.

По́ле — одна из форм материи, характеризующая все точки пространства и обладающая бесконечным числом степеней свободы. Каждой точке пространства при этом присваивается определеннная физическая величина. Эта величина, как правило, меняется при переходе от одной точки к другой. В зависимости от математического вида этой величины выделяют скалярные, векторные, тензорные и спинорные поля.

В зависимости от своей природы поля делятся на электромагнитные, гравитационные, волновые (квантованные) и поля ядерных сил. Проявляются поля в виде взаимодействия тел (при этом сила взаимодействия определяется различными характеристиками тел: массой для гравитационного поля, зарядом для электромагнитного и т. д.), которые в квантовой физике объясняются передачей спецефичных для каждого типа поля частиц (фотонов для электромагнитного, гипотетических гравитонов для гравитационного и т. д.). Долгое время считалось, что поле является только наглядным теоретическим объяснением таких явлений, как световые волны, пока в 1887 Генрих Рудольф Герц не доказал существование электромагнитного поля экспериментально.

Билет №7

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ

Закон сохранения энергии — фундаментальный закон природы, заключающийся в том, что энергия замкнутой системы сохраняется во времени. Проще говоря, энергия не может возникнуть из ничего и не может в никуда исчезнуть, она может только переходить из одной формы в другую.

Закон сохранения энергии встречается в различных разделах физики и проявляется в сохранении различных видов энергии. Например, в классической механике закон проявляется в сохранении механической энергии (суммы потенциальной и кинетической энергий). В термодинамике закон сохранения энергии называется первым началом термодинамики и говорит о сохранении энергии в сумме с тепловой энергией.

превращение тепловой энергии в механическую

Этот процесс реализуется в тепловых машинах, которые широко используются в мех. движении. Для всех тепловых машин есть КПД, который показывает какая доля идет на движение. КПД=(Т1-Т2)/Т1.

Потенциальная энергия — часть механической энергии системы тел; работа, которую необходимо совершить против действующих сил, чтоб перенести тело из некой точки отсчёта в данную точку.

Из определения понятно, что величина потенциальной энергии — относительна. Она отсчитывается от некой точки пространства, выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений. Понятно, также, что корректное определение потенциальной энергии может быть дано только в поле сил, работа которых зависит только от начального и конечного положения тел, но не от пути их перемещения.

Кинети́ческая эне́ргия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения.

Билет №8

Термодинами́ческая энтропи́я S, часто просто именуемая энтропия, в химии и термодинамике является мерой количества энергии в физической системе, которая не может быть использована для выполнения работы. Она также является мерой беспорядка, присутствующего в системе.

  Второе начало термодинамики, примененное для описания необратимых процессов, позволяет сформулировать закон возрастания энтропии, который однозначно устанавливает характер изменения энтропии в изолированной термодинамической системе. Этот закон описывает самопроизвольное стремление изолированной системы к состоянию термодинамического равновесия.

 В адиабатически изолированной термодинамической системе энтропия не может убывать: она или сохраняется, если в системе происходят только обратимые процессы, или возрастает, если в системе протекает хотя бы один необратимый процесс.

Понятие энтропии было впервые введено в 1865 году Рудольфом Клаузиусом. Он определил изменение энтропии термодинамической системы при обратимом процессе как отношение изменения общего количества тепла ΔQ к величине абсолютной температуры T:

Энтропия как мера беспорядка

Мы можем смотреть на энтропию и как на меру беспорядка в системе. Это оправдано, потому что мы думаем об «упорядоченных» системах как о системах, имеющих очень малую возможность конфигурирования, а о «беспорядочных» системах, как об имеющих очень много возможных состояний. Рассмотрим, например, набор 10 монет, каждая из которых может находиться либо в состоянии «орёл», либо в состоянии «решка». Наиболее «упорядоченным» макроскопическим состоянием будет являться или 10 «орлов», или 10 «решек»; для каждого результата в каждом случае имеется только одна возможная конфигурация. И наоборот, наиболее «неупорядоченное» состояние содержит 5 «орлов» и 5 «решек», и здесь ¹⁰C₅ = 252 способов для получения этого результата .

Билет №10

При́нцип относи́тельности — фундаментальный физический принцип, согласно которому все физические процессы в инерциальных системах отсчёта протекают одинаково, независимо от того, неподвижна ли система или она находится в состоянии равномерного и прямолинейного движения. Отсюда следует, что все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчёта.

Различают принцип относительности Эйнштейна (который приведён выше) и принцип относительности Галилея, который утверждает то же самое, но не для всех законов природы, а только для законов механики.

Отцом принципа относительности считается Галилео Галилей, который обратил внимание на то, что находясь в замкнутой физической системе, невозможно определить, покоится эта система или равномерно движется.. Идеи Галилея нашли развитие в механике. Однако с развитием электродинамики оказалось, что законы электромагнетизма и законы механики плохо согласуются друг с другом. Эти противоречия привели к созданию Эйнштейном Специальной теории относительности. После этого обобщённый принцип относительности стал называться «принципом относительности Эйнштейна», а его механическая формулировка — «принципом относительности Галилея».

Постулаты Эйншейна:

1. Принцип относительности: все законы природы инвариантны по отношению к переходу от одной инерциальной системы отсчета к другой. Это означает, что во всех инерциальных системах физические законы (не только механические) имеют одинаковую форму. Таким образом, принцип относительности классической механики обобщается на все процессы природы, в том числе и на электромагнитные. Этот обобщенный принцип называют принципом относительности Эйнштейна.

2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скорости движения источника света или наблюдателя и одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Скорость света в СТО занимает особое положение. Это предельная скорость передачи взаимодействий и сигналов из одной точки пространства в другую

Билет №11

Следствия СТО::

1)теория относительности Эйн. применима для вещественной материи, только если эти тела движутся оч быстро(скорость света)

2)В природе нет скоростей, больших скорости света

3)Изменение представлений о пространстве и времени.

1. При разработке постулатов СТО Эйнштейн отказался от трех основных постулатов Ньютона - представления об абсолютном пространстве и времени, закона сложения скоростей и закона сохранения массы, заменив последний обобщенным законом сохранения массы-энергии.

2. Никакое материальное тело ни в одной системе отсчета не может иметь скорости, равной или большей скорости света . Это означает, что скорость света инвариантна. Согласно СТО, никакой сигнал не может быть передан со скоростью, превышающей скорость света с.

3. Последовательность событий во времени с точки зрения разных наблюдателей зависит от их относительного движения. Однако никакой наблюдатель, как бы он не двигался, не может зарегистрировать следствия раньше причины.

4. Измерение длины предмета наблюдателем, движущимся относительно него, дает меньшее значение, чем измерение той же длины наблюдателем, неподвижным относительно предмета (сокращение длин). Сокращение испытывает только размер предмета вдоль направления движения. Поперечные значения остаются неизменными.

5. Наблюдатель, движущийся относительно часов, установит, что они идут медленнее точно таких же часов, находящихся в покое в его системе отсчета (замедление течения времени).

6. Тело, движущееся относительно наблюдателя, имеет массу, большую, чем такое же тело, покоящееся относительно наблюдателя.

7. Полная энергия равно сумме его собственной энергии и его кинетической энергии. Полная энергия E = mc².

Билет №12

Опыт Резерфорда

Первые прямые эксперименты по исследованию внутренней структуры атомов были выполнены Э. Резерфордом и его сотрудниками Э. Марсденом и Х. Гейгером в 1909–1911 годах. Резерфорд предложил применить зондирование атома с помощью α-частиц, которые возникают при радиоактивном распаде радия и некоторых других элементов. Масса α-частиц приблизительно в 7300 раз больше массы электрона, а положительный заряд равен удвоенному элементарному заряду. В своих опытах Резерфорд использовал α-частицы с кинетической энергией около 5 МэВ (скорость таких частиц очень велика – порядка 10⁷ м/с, но она все же значительно меньше скорости света). α-частицы – это полностью ионизированные атомы гелия. Этими частицами Резерфорд бомбардировал атомы тяжелых элементов (золото, серебро, медь и др.). Электроны, входящие в состав атомов, вследствие малой массы не могут заметно изменить траекторию α-частицы. Рассеяние, то есть изменение направления движения α-частиц, может вызвать только тяжелая положительно заряженная часть атома.

От радиоактивного источника, заключенного в свинцовый контейнер, α-частицы направлялись на тонкую металлическую фольгу. Рассеянные частицы попадали на экран, покрытый слоем кристаллов сульфида цинка, способных светиться под ударами быстрых заряженных частиц. Сцинтилляции (вспышки) на экране наблюдались глазом с помощью микроскопа. Наблюдения рассеянных α-частиц в опыте Резерфорда можно было проводить под различными углами φ к первоначальному направлению пучка. Было обнаружено, что большинство α-частиц проходит через тонкий слой металла, практически не испытывая отклонения. Однако небольшая часть частиц отклоняется на значительные углы, превышающие 30°. Очень редкие α-частицы (приблизительно одна на десять тысяч) испытывали отклонение на углы, близкие к 180°.

Этот результат был совершенно неожиданным для Резерфорда. Он находился в резком противоречии с моделью атома Томсона, согласно которой положительный заряд распределен по всему объему атома. При таком распределении положительный заряд не может создать сильное электрическое поле, способное отбросить α-частицы назад. Электрическое поле однородного заряженного шара максимально на его поверхности и убывает до нуля по мере приближения к центру шара. Если бы радиус шара, в котором сосредоточен весь положительный заряд атома, уменьшился в n раз, то максимальная сила отталкивания, действующая на α-частицу по закону Кулона, возросла бы в n² раз. Следовательно, при достаточно большом значении n α-частицы могли бы испытать рассеяние на большие углы вплоть до 180°.

Билет №12(продолжение)

Эти соображения привели Резерфорда к выводу, что атом почти пустой, и весь его положительный заряд сосредоточен в малом объеме. Эту часть атома Резерфорд назвал атомным ядром. Так возникла ядерная

модель атома. Таким образом, опыты Резерфорда и его сотрудников привели к выводу, что в центре атома находится плотное положительно заряженное ядро, которое содержит весь положительный заряд и не менее 99,95 % его массы. Заряд ядра должен быть равен суммарному заряду всех электронов, входящих в состав атома. Впоследствии удалось установить, что если заряд электрона принять за единицу, то заряд ядра в точности равен номеру данного элемента в таблице Менделеева.

Опираясь на классические представления о движении микрочастиц, Резерфорд предложил планетарную модель атома. Согласно этой модели, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атом в целом нейтрален. Вокруг ядра, подобно планетам, вращаются под действием кулоновских сил со стороны ядра электроны .Находиться в состоянии покоя электроны не могут, так как они

Билет №1

Существовали два противоположных представления о структуре материального мира. Одно из них - континуальная концепция Аристотеля - базировалось на идее непрерывности, внутренней однородности, что, по-видимому, было связано с непосредственными чувственными впечатлениями, которые производят вода, воздух, свет и т.п. Материю, согласно этой концепции, можно делить до бесконечности, и это является критерием ее непрерывности. Заполняя все пространство целиком, материя не оставляет пустоты внутри себя. Другое представление - корпускулярная концепция Демокрита - было основано на дискретности пространственно-временного строения материи, "зернистости" реальных объектов и отражало уверенность человека в возможность деления материальных объектов на части лишь до определенного предела - до атомов1, которые в своем бесконечном разнообразии (по величине, форме, порядку) сочетаются различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. При таком подходе необходимым условием движения и сочетания реальных атомов является существование пустого пространства. Таким образом, корпускулярный мир Демокрита образован двумя фундаментальными началами - атомами и пустотой, а материя при этом обладает атомистической структурой. Атомы по представлению древних греков не возникают и не уничтожаются, их вечность проистекает из бесконечности времени.

Билет №1(продолжение)

В качестве первичных «элементов» Аристотель принимал землю, воз­дух, огонь и воду. Эти элементы по Аристотелю строились из противоположно­стей. Например, земля соответствовала соединению «сухого» с «холодным». По Аристо­телю Вселенная состоит из ряда концентрических хрустальных сфер, которые движется с разными скоростями и приводятся в движение крайней сферой не подвижных звезд. В центре Вселенной находится неподвижная шарообразная Земля. Вокруг Земли по концентрическим окружностям вращаются планеты. Область между Луной и Землей (подлунный мир) является областью беспоря­дочных неравномерных движений. В подлунном мире все тела, по Аристотелю, состоят из четырех элементов: земля, вода, воздух и огонь. В надлунном мире (область между Луной и сферой неподвижных звезд) все движения равномер­ные и упорядоченные. Сами звезды состоят из пятого, наиболее совершенного элемента, эфира. Обратим внимание на высказывание о шарообразном строе­нии Земли. Это утверждение Аристотеля не имело в его время никаких экспери­ментальных доказательств и на многие столетия опередило практику.

Демокрит, великий ученый древности, говорил, что белесоватая полоса, протянувшаяся через все небо, которую мы называем Млечным Путем, есть в действительности соединение света множества невидимых

по отдельности звезд.Демокрит попытался применять свою теорию для объяснения происхождения и развития Вселенной. По Демокриту, Вселенная бесконечна и бесконечно в ней количество миров. Организмы возникли под влиянием механических причин. Человек – скопление атомов и отличается от других существ наличием души. Демокрит также связывает душу с дыханием.

Билет №2

Эпоха Возрождения (особенно 16 в.) отмечена крупными сдвигами в области естествознания. Его развитие, непосредственно связанное в этот период с запросами практики (торговля, мореплавание, строительство, военное дело), облегчалось первыми успехами нового, антидогматичного мировоззрения. Специфической особенностью науки этой эпохи была тесная связь с искусством; процесс преодоления религиозно-мистических абстракций и догматизма средневековья протекал одновременно и в науке и в искусстве, объединяясь иногда в творчестве одной личности (особенно яркий пример – творчество Леонардо да Винчи – художника, учёного, инженера). Наиболее крупные победы естествознание одержало в области астрономии, географии, анатомии.

Большое влияние на развитие всех отраслей естествознания оказали труды Галилео Галилея. Он вошёл в историю науки и философии как один из основоположников современного естествознания и экспериментального метода познания. Он развил и упрочил материалистическое воззрение на природу. Галилей утверждал, что бесконечный и вечный мир построен из неизменных атомов, движущихся по незыблемым законам механики, и его познание в конечном счёте сводится к раскрытию количественных математических отношений; математика, естественно, рассматривалась им как высшая форма познания. Выдвигая на первый план метод индукции и анализ, он подчёркивал значение синтетической работы человеческого ума. Церковь ясно поняла, какую страшную опасность для религиозного мировоззрения представляет учение Галилея, и он подвергся жестоким преследованиям инквизиции.

Декарт оказал огромное влияние на развитие философии и естествознания. Декарт более, чем кто-либо из философов, способствовал развитию рационализма. Его физические воззрения в своей основе были материалистическими, но имели механистический характер и способствовали распространению механистических взглядов в естествознании.

Основное содержание физического учения Декарта сводится к следующим положениям.1) Материя тождественна протяжённости. Единая материальная субстанция, из которой построена вся вселенная, состоит из бесконечно делимых и полностью заполняющих пространство частиц-корпускул, находящихся в состоянии непрерывного движения. Декарт отрицал пустоту. Движение материи трактуется им как перемещение в пространстве в соответствии с законами механики.

Билет №3

Классическая механика — вид механики (раздела физики, изучающей законы изменения положений тел и причины, это вызывающие), основанный на 3 законах Ньютона и принципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют «Ньютоновской механикой». Важное место в классической механике занимает существование инерциальных систем. Классическая механика подразделяется на статику (которая рассматривает равновесие тел) и динамику (которая рассматривает движение тел).

• Первый закон Ньютона гласит: существуют системы отсчета (называемые инерциальными), в которых замкнутая система продолжает оставаться в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения. По сути, этот закон постулирует инертность тел. Это может казаться очевидным сейчас, но это не было очевидно на заре исследований природы. Так, например, Аристотель утверждал, что причиной всякого движения является сила, т. е. у него не было движения по инерции.

• На что на самом деле влияет сила, диктует второй закон Ньютона: сила, действующая на систему извне, приводит к ускорению системы F = ma. Заметим, что если система замкнута, то на неё не действует никаких сил, следовательно, по второму закону Ньютона, её ускорение равно нулю, а значит, она может двигаться только с постоянной скоростью. Важно: первый закон Ньютона не является частным случаем второго: он справедлив именно в инерциальных системах отсчета, существование которых постулируется в первом законе.

• Третий закон Ньютона объясняет, что происходит с двумя взаимодействующими телами. Возьмём для примера замкнутую систему, состоящую из двух тел. Первое тело может действовать на второе с некоторой силой F₁, а второе — на первое с силой F₂. Третий закон Ньютона утверждает: сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия, F₂ = −F₁. Подчеркнём, что эти силы приложены к разным телам, а потому вовсе не компенсируются.

В рамках классической механики, гравитационное взаимодействие описывается законом всемирного тяготения Ньютона, который гласит, что сила гравитационного притяжения между двумя телами массы m₁ и m₂, разделённых расстоянием R есть , где— гравитационная постоянная, равная м³/(кг с²). Знак минус означает, что сила, действующая на тело, всегда противоположна по направлению радиус-вектору, направленному на тело, т. е. гравитационное взаимодействие приводит всегда к притяжению любых тел.

Билет №2(продолжение)

Он не допускал возможностей действия тел на расстоянии, так называемого дальнодействия. Чтобы избежать признания непостижимых сил, лишённых протяжённости, и в то же время объяснить взаимодействие тел, он выдвинул теорию «вихрей». В процессе механического «вихревого» движения возникают связь и взаимодействие между телами природы. Согласно Декарту, количество движения в мире постоянно, движение неуничтожимо. Этот тезис Декарта бил по теологическим попыткам объяснять природные явления божественным вмешательством и имел важное значение для их научного познания. В бесконечном мире вихреобразно движущиеся частицы сочетаются друг с другом; по законам механики происходит упорядочение, объединение частиц, и естественным путём возникают все тела природы. В конечном итоге природа – это огромный механизм, а все тела, её составляющие, все качества этих тел сводятся к чисто количественным различиям.2) Образование мира не направляется никакой сверхъестественной силой, не идёт в направлении какой-то цели, а подчинено естественным законам природы. Особенно интересно, что Декарт аналогичным образом пытается подойти и к вопросу о происхождении организмов, которые, с его точки зрения, также являются механизмами, сформировавшимися по законам механики. Декарту принадлежат смелые и гордые слова: «Дайте мне материю и движение, и я построю мир».

В своём труде «Об обращениях небесных сфер» Коперник утверждал, что Земля не является центром мироздания и что «солнце, как бы восседая на Царском престоле, управляет вращающимся вокруг него семейством светил». Это был конец старой аристотелевско-птолемеевской геоцентрической системы мира. На основе большого числа астрономических наблюдений и расчётов Коперник создал новую, гелиоцентрическую систему мира, что явилось первой в истории человечества научной революцией.

Возникло принципиально новое миропонимание, которое возникло из того, что Земля – одна из планет, движущихся вокруг Солнца по круговым орбитам. Совершая обращения вокруг солнца, Земля одновременно вращается вокруг собственной оси, чем и объясняется смена дня и ночи, видимое нами движение звёздного неба. Но гелиоцентрическая система мира, предложенная Коперником, не сводилась только к перестановке предлагаемого центра Вселенной. Включив Землю в число небесных тел, которым свойственно круговое движение, Коперник высказал очень важную мысль о движение как естественном свойстве небесных и земных объектов, подчинённым некоторым общим закономерностям единой механики. Тем самым было разрушено догматизированное представление

Аристотеля о неподвижном «перводвигателе», якобы приводящем в движение Вселенную.

Билет №4

1 законНельзя создать тепловую машину (устройство, в котором мех. движение происходит от тепла)с КПД>100%

2 законНельзя полностью превратить тепловую энергию в механическую. Существует закон деградации энергии, благодаря которому и доказали что КПД не=100%

АДИАБАТИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС (адиабатный процесс)– это модель термодинамического процесса, происходящего в системе без теплообмена с окружающей средой. Линия на термодинамической диаграмме состояний системы, изображающая равновесный (обратимый) адиабатический процесс, называется адиабатой.

ИЗОХОРНЫЙ ПРОЦЕСС– это процесс, происходящий в системе при постоянном объеме. Для осуществления изохорного процесса газ помещают в герметичный сосуд, не меняющий своего объема.

ИЗОБАРНЫЙ ПРОЦЕСС– это процесс, происходящий в системе при постоянном давлении. Изобара – линия на диаграмме состояния, являющаяся графиком изобарного процесса.

ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС– это процесс, происходящий в системе при постоянной температуре. Изотерма – кривая на диаграмме состояния газа, отражающая ход изотермического процесса.

Любое макроскопическое тело или группа макроскопических тел называется термодинамической системой.

Тепловое или термодинамическое равновесие - такое состояние термодинамической системы, при котором все ее макроскопические параметры остаются неизменными: не меняются объем, давление, не происходит теплообмен, отсутствуют переходы из одного агрегатного состояния в другое и т.д. При неизменных внешних условиях любая термодинамическая система самопроизвольно переходит в состояние теплового равновесия.

Температура - физическая величина, характеризующая состояние теплового равновесия системы тел: все тела системы, находящиеся друг с другом в тепловом равновесии, имеют одну и ту же температуру.

Абсолютный нуль температуры - предельная температура, при которой давление идеального газа при постоянном объеме должно быть равно нулю или должен быть равен нулю объем идеального газа при постоянном давлении.

Связь абсолютной шкалы и шкалы Цельсия:

T = t + 273, где t - температура в градусах Цельсия.

Средняя кинетическая энергия хаотического движения молекул газа пропорциональна абсолютной температуре:

Средняя квадратичная скорость молекул