Астахов Физика. Конспект лекций и задач для 8 класса 2011

Удельная теплоемкость c — величина, равная отношению количества теплоты Q, полученного или отданного телом, к его массе

Единица удельной теплоемкости: [с] = Дж/(кг К).

Количество теплоты Q, полученное или отданное телом в процессе нагрева или охлаждения, может быть определено по формуле:

где T(К) = t(°С) — приращение температуры тела.

Если тело нагревается, то приращение температуры тела положительно ( T > 0) и количество теплоты, полученное телом, также положительно (Q > 0), если тело охлаждается, то приращение температуры тела отрицательно ( T < 0) и количество теплоты, отданное телом, также отрицательно (Q < 0).

Теплоемкость тела связана с удельной теплоемкостью равен-

Агрегатное состояние вещества — твердое, жидкое и газооб-

разное состояние вещества.

Твердое кристаллическое тело (кристалл) — твердое тело,

расположения атомов или молекул которого упорядочено по всему телу (атомы и молекулы хаотически колеблются около точек, называемых узлами кристаллической решетки, положение которых повторяются периодически).

Твердое аморфное тело — твердое тело, расположения атомов или молекул которого не упорядочены по всему телу.

Плавление — процесс перехода вещества из твердого кристаллического состояния в жидкое.

Плавление твердого кристаллического вещества происходит при постоянной температуре.

Кристаллизация — процесс перехода вещества из жидкого со-

31

стояния в твердое кристаллическое.

Кристаллизация вещества происходит при постоянной температуре (равной температуре плавления этого вещества при его медленном охлаждении).

Удельная теплота плавления λ величина, равная отноше-

нию количества теплоты Qпл, необходимого для плавления твердого кристаллического тела, к массе m этого тела:

Единица удельной теплоты плавления: [λ] = Дж/кг.

Количество теплоты, выделенное при кристаллизации жидкости массой m,

Количество теплоты Qкр, выделенное при кристаллизации жидкости некоторой массы, равно по модулю количеству теплоты Qпл, необходимого для плавления твердого кристаллического тела такой же массы:

Парообразование — процесс перехода вещества из жидкого состояния в газообразное.

Испарение — парообразование, происходящее с поверхности жидкости.

Кипение — процесс парообразования как с поверхности жидкости, так и по всему ее объему внутрь образующихся при этом пузырьков с паром. Кипение происходит при постоянной температуре.

С увеличением давления над жидкостью температура кипения растет. Например, при давлении р = 0,51 105 температура кипения

воды tкип = 82 °С, при р = 2,02 105 Па tкип = 120 °С.

Конденсация — процесс превращения пара в жидкость.

Удельная теплота парообразования r — величина, равная от-

ношению количества теплоты Qп, необходимого для превращения

32

при постоянной температуре жидкости в пар, к массе m этой жидкости:

Единица удельной теплоты парообразования: [r] = Дж/кг.

Количество теплоты, выделенное при конденсации пара массой m при постоянной температуре,

Количество теплоты Qж, выделенное при конденсации пара некоторой массы при постоянной температуре, равно по модулю количества теплоты Qп, необходимого для превращения при этой же температуре жидкости в пар такой же массы:

Удельная теплота сгорания q — величина, равная отношению модуля количества теплоты Qт, выделенное при полном сгорании топлива, к массе m топлива:

Единица удельной теплоты сгорания: [q] = Дж/кг.

Количество теплоты, выделенное при полном сгорании топлива массой m,

Уравнение теплового баланса

В теплоизолированной замкнутой системе тел сумма количеств теплоты, полученных и отданных телами, равна нулю:

i=1

где n количество тел системы, Qi количество теплоты, полученное (Qi > 0) или отданное (Qi < 0) i-м телом системы.

33

Способы изменения внутренней энергии тела

Внутренняя энергия тела изменяется при совершении работы внешних тел Авнеш (над телом) и, следовательно, работы тела Ат (над внешними телами) и (или) при получении (отдачи) им некото-

рого количества теплоты Q.

Первый закон термодинамики

Приращение внутренней энергии тела равно сумме работы внешних сил (над телом) и полученного (отданного) им количества теплоты:

Соотношение между работами тела и внешних сил Авнеш:

Тепловая машина — устройство, предназначенное для совершения полезной работы над внешними телами за счет полученного от источника энергии некоторого количества теплоты.

Тепловая машина состоит из трех основных частей: нагревателя, рабочего тела (в большинстве случаев газа или пара) и холодильника. Рабочее тело при получении от нагревателя некоторого количества теплоты расширяется и совершает положительную работу.

Коэффициент полезного действия тепловой машины (КПД) η

величина, равная отношению полезной работы Ап тепловой машины к полученному рабочим телом от нагревателя количеству теплоты Qн:

Коэффициент полезного действия нагревателя (КПД) η

величина, равная отношению полезного количества теплоты Qп к модулю выделенного нагревателем количества теплоты Qн:

η= Qп . (7.18) Qн

34

ТЕМА 3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО

§8. Электростатика

Электродинамика — раздел физики, в котором изучаются электромагнитные взаимодействия тел и частиц.

Электромагнитные взаимодействия — один из видов фунда-

ментальных взаимодействий между телами и частицами. Электростатика — раздел электродинамики, в котором изу-

чается взаимодействие неподвижных (относительно какой-либо инерциальной системы отсчета) электрически заряженных тел и частиц.

Электрический заряд q, Q — скалярная физическая величина (СФВ), определяющая силу и энергию электромагнитных взаимодействий тел и частиц.

Единица электрического заряда — кулон: [q] = Кл.

Кулон определяется через единицу силы тока — ампер.

Свойства электрических зарядов

1. Существуют два вида электрических зарядов: положительные, обозначаемые знаком плюс (+), и отрицательные, обозначаемые знаком минус (−).

Положительно заряженным становится, например, стеклянный стержень, потёртый о шёлк, отрицательно заряженным — янтарный стержень, потёртый о мех.

Между заряженными телами существует взаимодействие: одноимённо заряженные тела отталкиваются, разноимённо заряженные притягиваются друг к другу.

2. Заряд любого тела является дискретным он равен (либо положительному, либо отрицательному) целому числу N элементарных электрических зарядов:

Элементарный электрический заряд е — абсолютная величина наименьшего заряда:

35

Элементарным электрическим зарядом обладают, например, такие элементарные частицы, как протон, являющийся положительно заряженной частицей (qпр = е), и электрон, являющийся отрицательно заряженной частицей (qэл = −е).

3. Заряд тела (частицы) не зависит от скорости тела (частицы). Заряд системы тел равен сумме зарядов всех заряженных тел

данной системы:

i=1

где n — число заряженных тел системы.

Изолированная система тел — система, в которую не могут поступать из внешней среды или которую не могут покидать заряженные тела и частицы.

Закон сохранения электрического заряда

В изолированной системе тел сумма зарядов всех тел при любых процессах, связанных с перераспределением зарядов, остаётся постоянной:

Электрически нейтральное тело — тело, заряд которого равен нулю (вследствие того, что общий положительный и общий отрицательный заряды всех частиц тела равны по абсолютной величине).

Электризация тел — образование на теле избытка (недостатка) положительного или отрицательного заряда.

При электризации двух разнородных тел, например соприкосновением (в частности, при трении), оба тела приобретают заряды разных знаков, но одинаковые по абсолютной величине.

Заряженное (наэлектризованное) тело — тело с избытком

(недостатком) заряда того или иного знака.

Положительно заряженное тело — заряженное тело с избыт-

ком положительного (недостатком отрицательного) заряда.

Отрицательно заряженное тело — заряженное тело с избыт-

ком отрицательного (недостатком положительного) заряда. Электроскоп — прибор для обнаружения заряда тела.

36

Заряженные тела и частицы в дальнейшем будут называться (для краткости) зарядами.

Точечные заряды (для закона Кулона) — заряды, максималь-

ные размеры которых много меньше расстояния между ними.

Закон Кулона

Силы, с которыми действуют друг на друга два неподвижных точечных заряда, направлены по прямой, проходящей через эти заряды (рис. 8.1); эти силы, называемые силами Кулона, являются силами отталкивания, если заряды одного знака (на рис. 8.1,а), и

силами притяжения, если заряды разных знаков (рис. 8.1,б).

Рис. 8.1

Если заряды находятся в вакууме (газовой среде при давлении много меньше атмосферного), на точечный заряд q2 действует точечный заряд q1 с кулоновской силой

(точечный заряд q2 находится в точке, радиус-вектор которой r). Силы, приложенные к зарядам, равны по модулю и направле-

ны в противоположные стороны: F2,1 = −F1,2 ,

Модули сил Кулона, приложенные к зарядам, прямо пропорциональны произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними;

где q1 и q2 — заряды, r — расстояние между зарядами; коэффициент пропорциональности кэл = 1/4πε0 = 9·109 Н·м2/Кл2; электрическая постоянная ε0 = 8,85 10−12 Ф/м (фарад – единица емкости).

37

Принцип независимости действия (суперпозиции) сил

Если на i-й заряд системы точечных зарядов действуют одновременно несколько зарядов, то равнодействующая сила, приложенная к этому заряду

Взаимодействие между неподвижными зарядами осуществляется посредством электростатического поля, которое образуется этими зарядами. На заряд, находящийся в электростатическом поле, действует сила, определяемая напряженностью этого поля.

Напряженность электростатического поля Е (в некоторой точке поля) — ВФВ, равная отношению силы Кулона, приложенной к точечному заряду q, который находится в данной точке поля,

Напряженность электростатического поля совпадает по направлению с силой Кулона, которая приложена к положительному точечному заряду.

Единица напряженности поля — вольт на метр: [E] = В/м (вольт — единица напряжения, см. § 9).

Точечный заряд (при определении напряженности созданного им поля) — заряд, размеры которого значительно меньше, чем расстояние от него до тех точек, в которых определяется напряженность поля.

Напряженность поля E точечного заряда q в точке, радиусвектор которой r:

где кэл — коэффициент пропорциональности, определяемый в равенстве (8.6).

38

Модуль напряженности поля точечного заряда

где q — заряд, r — расстояние от точки поля до этого заряда. Напряженность поля положительного точечного заряда на-

правлена от заряда (рис. 8.2,а), отрицательного — к заряду

(рис. 8.2,б).

E E

+

Принцип суперпозиции полей

Напряженность поля системы точечных зарядов Eс в некоторой точке равна сумме напряженностей полей Ei в этой точке от каждого заряда qi данной системы по отдельности:

i=1

где n — число точечных зарядов в системе.

Напряженность электростатического поля двух точечных зарядов

Напряженность электростатического поля в точке, находящейся посредине между двумя одинаковыми положительными (рис. 8.3,а) или отрицательными зарядами, равна нулю:

Напряженность электростатического поля в точке, находящей-

39

ся посредине между двумя одинаковыми по модулю положительным (q1 > 0) и отрицательным (q2 < 0) зарядами, расположенными на расстоянии 2r друг от друга (рис. 8.3,б),

где Е1 — напряженность положительного заряда в точке, радиусвектор которой r.

Рис. 8.3

Линия напряженности поля (электрическая силовая линия) —

линия, касательная к которой в любой ее точке совпадает с направлением напряженности в этой же точке поля.

Линии напряженности поля используются для графического изображения электрических полей.

Линии напряженности уединенного точечного заряда — пря-

мые линии, начинающиеся на положительном заряде и уходящие в бесконечность (рис.8.4,а), или приходящие из бесконечности и заканчивающиеся на отрицательном заряде (рис.8.4,б).

Свойства линий напряженности: линии нигде друг с другом не пересекаются.

40