Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика. В 2 частях. Ч.2. Молекулярная физика. Термодинамика. Электродинамика. Учебное пособие
.pdf
41
E
D
C
B
A
357
-39
-59
t, мин
t,0С
4. Какое количество теплоты требуется, чтобы лед массой 2 кг,
взятый при температуре -10°С, обратить в пар при 100°С?
5. Определить, какое вещество представлено на графике.
– Какому из процессов соответствует участок ВС?
– Какому из процессов соответствует участок DE?
– При какой температуре начался процесс нагревания твёрдого
вещества?
– Найдите общее количество теплоты, которое требуется затратить
на процессы, соответствующие участкам AD, BC, CD, DE, если масса
вещества равна 1 кг.
§ 10. Энергия топлива
В природе существует много горючих веществ, которые при
сгорании выделяют энергию (тепло).
Топливо – это горючие вещества, которые обладают большой
удельной теплотой сгорания, низкой температурой воспламенения,
отсутствием вредных продуктов сгорания, широко распространены в
природе, просты в добыче и транспортировке.
Топливо можно классифицировать по происхождению, по
агрегатному состоянию (табл. 3).
42
По происхождению
По агрегатному состоянию
Природное
Искусственное
Твёрдое
Жидкое
Газообразное
Нефть
Кокс
Уголь
Моторное
масло
Природный газ
Уголь
Керосин
Древесина
Бензин
Газ
Солярка
Кокс
Керосин
Древесина
Моторное
масло
Солярка
Q
Таблица 3
Для нагревания тел часто используют энергию, выделяющуюся
при сгорании топлива (рис. 19).
Рис. 19
Обычное топливо (уголь, нефть, бензин и т. п.) содержит углерод.
При горении атомы углерода соединяются с атомами кислорода,
содержащегося в воздухе, в результате чего образуются молекулы
углекислого газа. Кинетическая энергия этих молекул оказывается
больше, чем у исходных частиц. Увеличение кинетической энергии
молекул в процессе горения называется выделением энергии.
Энергия, выделяющаяся при полном сгорании топлива, называется
теплотой сгорания этого топлива.
Теплота сгорания топлива (или количество теплоты,
выделяющееся при его сгорании) зависит от вида топлива и его
массы. Чем больше масса топлива, тем большее количество теплоты
выделится при его полном сгорании.
Расчётная формула для количества теплоты, выделившейся при
полном сгорании топлива, имеет такой вид:
Q = q·m,
43
кг
Дж
где Q – количество выделившейся теплоты; q – удельная теплота
сгорания; m – масса сгоревшего топлива.
Разные виды топлива одинаковой массы при полном сгорании
выделяют разное количество теплоты.
Удельная теплота сгорания показывает, какое количество
теплоты выделится при полном сгорании 1 кг данного топлива.
Единица измерения удельной теплоты сгорания в системе СИ – 1
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
топливо теплота сгорания удельная теплота сгорания
??? Ответьте на вопросы.
1. Что называют топливом?
2. Как классифицируют топливо?
3. Что называют теплотой сгорания топлива?
4. Какую величину называют удельной теплотой сгорания
топлива?
5. В каких единицах измеряют удельную теплоту сгорания
топлива?
.
6. Как вычислить количество теплоты, выделяемое при сгорании
топлива?
Упражнение 10. Решите задачи.
1. Сколько теплоты выделяется при полном сгорании 0,5 л спирта,
если плотность спирта 800 кг/м3?
2. При сгорании 0,5 кг топлива выделилось 22 МДж теплоты.
Определить удельную теплоту сгорания этого топлива.
3. Сколько воды можно нагреть от 20°C до кипения, если бы всё
тепло, выделенное при сгорании 840 г каменного угля, пошло только
на нагрев воды?
44
РАЗДЕЛ 2. ЭЛЕКТРОДИНАМИКА
Электродинамика – раздел физики, в котором изучают
электромагнитное взаимодействие между электрически
заряженными телами и частицами.
В электродинамике рассматриваются законы взаимодействия тел
(частиц), обладающих электрическими зарядами, особенности
упорядоченного движения заряженных частиц, физические величины,
характеризующие электрические и магнитные поля.
Современные средства связи, электродвигатели, генераторы тока,
осветительные приборы, компьютеры, бытовые приборы – всё это
устройства, в основу которых положены законы электродинамики.
ГЛАВА 1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
Электростатика – раздел электродинамики, в котором
изучают взаимодействие неподвижных в некоторой
инерциальной системе отсчёта электрически заряженных тел,
распределение заряда на которых не изменяется со временем, а
также электростатические поля, создаваемые зарядами таких тел.
§ 11. Электрический заряд. Закон Кулона
В механике изучают гравитационное поле. Гравитационное поле –
это поле, под действием которого все тела притягиваются друг к
другу.
Если на стол положить маленькие кусочки бумаги и поместить над
ними эбонитовую палочку, то они остаются неподвижными.
Следовательно, гравитационное поле эбонитовой полочки слабое и
оно действует на бумажки с очень маленькой силой.
Потрём эбонитовую палочку о шерсть и приблизим к кусочкам
бумаги. Теперь они притягиваются к палочке. Следовательно, палочка
стала источником поля более сильного, чем гравитационное поле
(рис. 20). Это поле называется электростатическим полем.
45
Электростатическое поле вызывает электростатические
взаимодействия. В электростатическом взаимодействии проявляются
электрические силы – силы притяжения и отталкивания.
Рис. 20
Свойство тел вступать в электрическое взаимодействие
характеризует физическая величина, которая называется
электрическим зарядом.
Электрический заряд обозначают буквой q или Q. Единица
электрического заряда в СИ – 1 Кулон (Кл). 1 кулон – это заряд,
который проходит за 1 секунду через поперечное сечение проводника
при силе тока в 1 А (Ампер).
Все тела в природе способны электризоваться, т.е. приобретать
электрический заряд.
Процесс, в результате которого тело получает электрический
заряд, называется электризацией. Электризация тел может
осуществляться различными способами. Например,
соприкосновением (трением), электростатической индукцией.
Опытным путём определили, что существует два рода
электрических зарядов – положительный (+) и отрицательный (–)
(рис. 21).
При соединении разноимённых заряженных тел их заряды
нейтрализуются. Носителями наименьших неделимых электрических
зарядов являются элементарные частицы, входящие в состав атомов:
46
Кл101,6
19
e
neq
электроны и протоны. Электрон заряжен отрицательно, протон –
положительно.
Рис. 21
Заряды электрона и протона называются элементарными
зарядами (e).
Заряд электрона равен
, заряд протона равен по
модулю заряду электрона, но противоположен по знаку. Массы
электрона (протона) равны: me = 9,110
-31
кг, mp = 1,710
-27
кг.
Электрический заряд инвариантен, т. е. величина заряда не
зависит от системы отсчёта, т.е. не зависит от того, движется он или
находится в покое.
Электрический заряд дискретен, т. е. заряд любого тела
составляет целое кратное от элементарного электрического заряда:
, где n – число заряженных частиц.
Атом имеет одинаковое число электронов и протонов. Ядро
состоит из протонов и нейтронов. Нейтроны не обладают зарядом. Так
как заряды протона и электроны одинаковы по модулю и
противоположны по знаку, то атом не имеет заряда. Поэтому обычно
тела не имеют заряда и являются электрически нейтральными. Чтобы
тело стало заряженным, необходимо передать ему (или отнять у него)
некоторое количество элементарных частиц одного знака. Например,
если потереть два тела (ручку и бумагу), то с одного тела электроны
перейдут на другое. Оба тела получают равные по величине, но
противоположные по знаку заряды. Одно тело станет положительно
47
constq
n
i
i
1
заряженным, другое – отрицательно заряженным. Из этого опыта
следует, что новые заряженные частицы не возникают, а
существующие не исчезают. Происходит переход заряженных частиц
с одного тела на другое или смещение внутри одного тела. При этом
выполняется закон сохранения заряда: в замкнутой системе
алгебраическая сумма электрических зарядов всех частиц
остается постоянной:
.
При взаимодействии электрических зарядов одноимённые заряды
отталкиваются (рис. 22), а разноимённые – притягиваются (рис. 23).
Рис. 22 Рис. 23
На этом свойстве электрических зарядов основано действие
простейших электроизмерительных приборов – электроскопа и
электрометра.
В 1785 г. французский физик Ш. Кулон опытным путём установил
закон взаимодействия точечных электрических зарядов. Точечные
электрические заряды – это заряженные тела, размеры которых
очень малы по сравнению с расстоянием между ними.
Сила электрического взаимодействия двух точечных
неподвижных заряженных тел прямо пропорциональна
произведению модулей зарядов, обратно пропорциональна
48
2
21
r
qq
kF
1
q
2
q
F
F
0
0
4
1
επk
2
21
0
εεπ4
1
r
qq
F
квадрату расстояния между ними и направлена по соединяющей
их прямой.
,
где F – сила взаимодействия электрических зарядов; r – расстояние
между зарядами;
и
– величины зарядов; – диэлектрическая
проницаемость среды.
Сила электрического взаимодействия направлена вдоль прямой,
соединяющей заряженные тела. Она является силой отталкивания для
одноимённых зарядов (рис. 24, а и б) и силой притяжения для
разноимённых зарядов (рис. 24, в).
Рис. 24
Диэлектрическая проницаемость среды характеризует
электрические свойства этой среды, т.е. если электрические заряды
взаимодействуют в среде, а не в вакууме, то величина F будет
уменьшаться в раз:
,
где F0 – сила взаимодействия точечных электрических зарядов в
вакууме; F – сила взаимодействия этих же зарядов в данной среде.
Для вакуума =1. В системе СИ
и закон Кулона
пишется так:
,
49
0
2
2
12
0
мН
Кл
108,85
2
2
9
2
2
12
Кл
мН
109
мН
Кл
108,853,144
1
k
2
21
9
109
r
qq
F
где
– электрическая постоянная вакуума, равная
.
Коэффициент k в законе Кулона можно заменить его числовым
значением:
.
Подставляя значение k в формулу закона Кулона, получим:
.
Взаимодействие неподвижных электрических зарядов называют
электростатическим или кулоновским.
Задания
Выучите новые слова и словосочетания:
электризация кулон
электростатическое поле электрон
электрический заряд протон
элементарный заряд точечный заряд
одноимённые заряды диэлектрическая проницаемость
разноимённые заряды
??? Ответьте на вопросы.
1. Что называется электрическим зарядом?
2. Какое тело называют электрически заряженным?
3. Что называется электризацией?
4. Какие виды электрических зарядов существуют?
5. Что является носителем наименьшего электрического заряда?
6. Какого знака заряд имеет электрон, протон, ядро атома, атом,
потерявший электрон?
7. Как читается закон сохранения электрических зарядов?
8. Как взаимодействуют электрические заряды?
50
9. Как читается закон Кулона? Дайте объяснения физическим
величинам, входящим в формулу закона Кулона.
10. В каких единицах измеряется электрический заряд?
Упражнение 11. Решите задачи.
1. Как изменится сила электрического взаимодействия двух
точечных электрических зарядов при перенесении их из вакуума в
среду с диэлектрической проницаемостью ε = 2, если расстояние
между ними не изменяется?
2. Два точечных заряда по +2,67 10
-19
Кл каждый расположены на
расстоянии 0,02 м друг от друга. Определить силу их взаимодействия
в керосине, если = 20.
3. С какой силой взаимодействуют заряды 110-7 Кл и 210-8 Кл на
расстоянии 1 м в пустоте?
4. Два заряда находятся в вакууме на расстоянии 0,3 м и
взаимодействуют с силой 30 Н. Модуль одного заряда в 3 раза больше
другого. Определить величину каждого заряда.
5. Два одинаковых заряда находятся на расстоянии 10 см друг от
друга и взаимодействуют с силой 9,8
10-5 Н. Определить величину
зарядов.
6. Сравнить модели атомов водорода, гелия, лития:
Чем отличаются друг от друга атомы этих химических элементов?
Что между ними общего?
§ 12. Электрическое поле. Напряжённость электрического поля
Заряженные тела взаимодействуют на расстоянии в различных
средах и в вакууме. Действие заряженного тела передаётся через
особую материальную среду – электрическое поле. Электрическое
поле – это особая форма материи, которая существует вокруг
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]