- •Предмет физики. Предмет механики. Физические модели. Материальная точка. Абсолютно твердое тело. Системы отсчета.
- •Координатное и векторное описание положения частицы. Связь между ними
- •Скорость и ускорение материальной точки.
- •Равнопеременное движение.
- •Нормальное, тангенциальное и полное ускорения. Радиус кривизны траектории.
- •Поступательное и вращательное движение. Кинематика поступательного движения. Связь угловых и линейных характеристик движения.
- •Плоское движение
- •Механический принцип относительности. Инерциальные системы отсчета. Первый закон Ньютона.
- •Преобразования Галилея. Закон сложения скоростей Галилея.
- •Второй закон Ньютона. Сила. Импульс.
- •11.Принцип суперпозиции сил. Третий закон Ньютона.
- •12. Силы инерции. Принцип эквивалентности.
- •Измерения. Системы единиц. Внесистемные единицы. Размерности физических величин.
- •Работа и энергия. Мощность.
- •Консервативные силы. Потенциальные поля.
- •Потенциальная энергия. Связь силы и потенциальной энергии.
- •Силы в механике. Упругая сила.
- •Сила гравитационного притяжения. Однородная сила тяжести.
- •Сухое трение. Вязкое трение.
- •Закон сохранения механической энергии. Границы одномерного движения.
- •Закон сохранения импульса и его связь с однородностью пространства.
- •Абсолютно неупругий удар.
- •Абсолютно упругий удар.
- •Момент импульса и закон его сохранения.
- •Связь закона сохранения момента импульса с изотропностью пространства.
- •Кинетическая энергия вращающегося тела. Расчет момента инерции полого цилиндра.
- •Теорема Штейнера.
- •Динамика вращательного движения системы материальных точек относительно неподвижной оси.
- •Кинетическая энергия плоского движение твердого тела.
- •Равнодействующая сила. Центр тяжести.
- •Лоренцево замедление времени.
- •Лоренцево сокращение длин.
- •Преобразования Лоренца
- •Интервал и его инвариантность.
- •Релятивистский импульс. Основное уравнение релятивисткой динамики.
- •Кинетическая энергия релятивистской частицы. Взаимосвязь массы и энергии. Энергия покоя.
- •2 Тема.
- •1. Потенциальная энергия взаимодействия молекул. Модель идеального газа.
- •2. Жидкость. Кристаллическая решетка.
- •3. Молярная масса и число Авогадро.
- •4. Статистические ансамбли. Средние значения и среднеквадратичные отклонения.
- •6. Идеальный газ. Давление идеального газа.
- •8. Изопроцессы в идеальном газе.
- •9. Закон равнораспределения энергии по степеням свободы молекул в газе.
- •10. Внутренняя энергия. Внутренняя энергия идеального газа.
- •11. Механическая работа в тепловых процессах.
- •12. Первое начало термодинамики
- •1 3. Круговые процессы и тепловые двигатели. К.П.Д. Теплового двигателя.
- •14. Теплоемкость. Теплоемкость при постоянном давлении и теплоемкость при постоянном объеме. Уравнение Майера.
- •15. Работа в адиабатном процессе
- •16. Уравнение Пуассона.
- •17. Энтропия и ее статистический смысл.
- •18. Энтропия идеального газа.
- •19. Изменение энтропии в квазиравновесных процессах.
- •20. К.П.Д. Идеального цикла Карно.
- •21. Второе начало термодинамики (закон возрастания энтропии). Теорема Нернста.
- •22.Распределение Больцмана частиц в потенциальном поле.
- •23. Барометрическая формула.
- •24. Распределение Максвелла по скоростям.
- •25. Распределение Максвелла по модулю скорости.
- •26.Опыт Штерна.
- •27. Явления переноса. Опытные законы диффузии, теплопроводности и внутреннего трения.
- •28. Средняя длина свободного пробега молекулы в газе
- •29.Коэффициент диффузии в газе.
- •30. Коэффициент теплопроводности газов
- •31.Напряженность магнитного поля. Диамагнетики и парамагнетики.
- •32.Условия на границе раздела магнетиков.
- •33.Ферромагнетики.
- •34.Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.
- •35. Взаимная индукция. Самоиндукция.
- •36. Ток замыкания цепи
- •37.Ток размыкания цепи.
- •38.Физический смысл интегральной формы уравнений Максвелла.
- •39.Ток смещения.
- •40. Скорость электромагнитной волны.
- •41.Капиллярные явления.
- •42. Влияние поверхностных эффектов на конденсацию пара и испарение жидкости.
- •43. Ламинарное и турбулентное течение. Линии и трубки тока. Уравнение непрерывности.
- •44. Уравнение Бернулли.
- •46. Число Рейнольдса. Метод подобия.
- •47Деформация твердых тел. Закон Гука. Модуль Юнга.
- •1. Закон Кулона. Электрическое поле. Принцип суперпозиции.
- •3. Теорема Остроградского-Гаусса для напряженности электростатического поля.
- •4. Теорема Ирншоу.
- •5. Полярные и неполярные диэлектрики. Электрический диполь. Дипольный момент.
- •6. Вектор поляризации. Его связь с поверхностной плотностью связанных зарядов.
- •7. Поле бесконечной равномерно заряженной плоскости. Напряженность поля в диэлектрике. Относительная диэлектрическая проницаемость.
- •8. Электрическая индукция. Теорема Остроградского-Гаусса для электрической индукции. Поведение нормальной составляющей поля на границе раздела диэлектриков.
- •9. Поле бесконечной равномерно заряженной нити.
- •10. Поле равномерно заряженного шара.
- •11. Потенциал электростатического поля. Его связь с напряженностью. Поведение тангенциальных составляющих поля на границе раздела диэлектриков
- •12. Потенциал поля точечного заряда и поля электрического диполя.
- •Проводник в электрическом поле. Связь между поверхностной плотностью заряда и полем вблизи поверхности.
- •Электроемкость проводника. Электроемкость конденсатора.
- •Потенциальная энергия системы зарядов. Энергия конденсатора. Плотность энергии электрического поля.
- •16. Электрический ток - упорядоченное движение заряженных частиц под действием сил электрического поля или сторонних сил.
- •17. Законы Ома.
- •18. Закон Ома для замкнутой цепи. Правила Кирхгофа.
- •19. Мощность электрического тока это работа, совершаемая током за единицу времени.
- •20. Квазистационарные токи. Заряд и разряд конденсатора.
- •Сила Лоренца. Магнитное поле. Относительный характер электрических и магнитных компонент электромагнитного поля.
- •22.Принцип супер¬позиции магнитных полей.
- •23.Закон Био-Савара-Лапласа. Магнитное поле кругового витка на его оси.
- •24.Магнитное поле бесконечного прямолинейного проводника с током
- •25.Теорема Остроградского-Гаусса для магнитного поля. Соленоидальный характер магнитного поля. Закон полного тока.
- •26.Поле соленоида.
- •27. Закон Ампера. Сила Ампера.
- •28.Работа по перемещению проводника с током в магнитном поле
- •29.Замкнутый контур в магнитном поле.
- •30 Энергия магнитного поля соленоида. Плотность энергии магнитного поля
- •31.Напряженность магнитного поля. Диамагнетики и парамагнетики.
- •32 Условия на границе раздела магнетиков.
- •33 Феромагнетики
- •34 Закон электромагнитной индукции. Правило Ленца.
- •35.Взаимная индукция. Самоиндукция.
- •Ток замыкания цепи.
- •Ток размыкания цепи.
- •Физический смысл интегральной формы уравнений Максвелла.
- •Ток смещения.
- •Скорость электромагнитной волны.
- •Поток вектора через бесконечно малую поверхность.
- •Циркуляция вектора по бесконечно малому контуру.
- •Уравнения Максвелла в дифференциальной форме.
26.Опыт Штерна.
Опыт Штерна — опыт, впервые проведённый немецким физикомОтто Штерном в 1920 году. Опыт явился одним из первых практических доказательств состоятельности молекулярно-кинетической теории строения вещества. В нём были непосредственно измерены скорости теплового движения молекул и подтверждено наличие распределения молекул газов по скоростям.Для проведения опыта Штерном был подготовлен прибор, состоящий из двух цилиндров разного радиуса, ось которых совпадала и на ней располагалась платиновая проволока с нанесённым слоем серебра. В пространстве внутри цилиндров посредством непрерывной откачки воздуха поддерживалось достаточно низкое давление. При пропускании электрического тока через проволоку достигалась температура плавления серебра, из-за чего атомы начинали испаряться и летели к внутренней поверхности малого цилиндра равномерно и прямолинейно со скоростью v, соответствующей подаваемому на концы нити напряжению. Во внутреннем цилиндре была проделана узкая щель, через которую атомы могли беспрепятственно пролетать далее. Стенки цилиндров специально охлаждались, что способствовало оседанию попадающих на них атомов. В таком состоянии на внутренней поверхности большого цилиндра образовывалась достаточно чёткая узкая полоса серебряного налёта, расположенная прямо напротив щели малого цилиндра. Затем всю систему начинали вращать с некой достаточно большой угловой скоростьюω. При этом полоса налёта смещалась в сторону, противоположенную направлению вращения, и теряла чёткость. Измерив смещение s наиболее тёмной части полосы от её положения, когда система покоилась, Штерн определил время полёта, через которое нашёл скорость движения молекул: где s — смещение полосы, l — расстояние между цилиндрами, а u — скорость движения точек внешнего цилиндра.Найденная таким образом скорость движения атомов серебра совпала со скоростью, рассчитанной по законам молекулярно-кинетической теории, а тот факт, что получившаяся полоска была размытой, свидетельствовал в пользу того, что скорости атомов различны и распределены по некоторому закону — закону распределения Максвелла: атомы, двигавшиеся быстрее, смещались относительно полосы, полученной в состоянии покоя, на меньшие расстояния, чем те, которые двигались медленнее.
27. Явления переноса. Опытные законы диффузии, теплопроводности и внутреннего трения.
В термодинамически неравновесных системах происходят особые необратимые процессы, называемые явлениями переноса, в результате которых осуществляется пространственный перенос массы, импульса, энергии. К явлениям переноса относятся теплопроводность (перенос энергии), диффузия (перенос массы) и внутреннее трение (перенос импульса). Ограничимся одномерными явлениями переноса. Систему отсчета будем выберать так, чтобы ось х была направлена в сторону в направления переноса. 1. Теплопроводность. Если в первой области газа средняя кинетическая энергия молекул больше, чем во второй, то вследствие постоянных столкновений молекул с течением времени происходит процесс выравнивания средних кинетических энергий молекул, т. е., выравнивание температур. Перенос энергии в форме теплоты подчиняется закону Фурье: (1) где jE — плотность теплового потока — величина, которая определяется энергией, переносимой в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х, λ — теплопроводность, — градиент температуры, равный скорости изменения температуры на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке. Знак минус говорит о том, что во время теплопроводности энергия перемещается в направлении убывания температуры (поэтому знаки jE и – противоположны). Теплопроводность λ равна плотности теплового потока при градиенте температуры, равном единице. Можно показать, что (2) где сV — удельная теплоемкость газа при постоянном объеме (количество теплоты, которое необходимо для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме), ρ — плотность газа, <ν> — средняя скорость теплового движения молекул, <l> — средняя длина свободного пробега. 2. Диффузия. При происходит самопроизвольное проникновение и перемешивание частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел; диффузия есть обмен масс частиц этих тел, при этом явление возникает и продолжается, пока существует градиент плотности. Во времена становления молекулярно-кинетической теории по вопросу явления диффузии возникли противоречия. Поскольку молекулы перемещаются в пространстве с огромными скоростями, то диффузия должна происходить очень быстро. Если же открыть в комнате крышку сосуда с пахучим веществом, то запах распространяется довольно медленно. Но здесь нет противоречия. При атмосферном давлении молекулы обладают малой длиной свободного пробега и, при столкновениях с другими молекулами, приемущественно «стоят» на месте. Явление диффузии для химически однородного газа подчиняется закону Фика: (3) где jm — плотность потока массы — величина, определяемая массой вещества, диффундирующего в единицу времени через единичную площадку, перпендикулярную оси х, D — диффузия (коэффициент диффузии), dρ/dx — градиент плотности, который равен скорости изменения плотности на единицу длины х в направлении нормали к этой площадке. Знак минус говорит о том, что перенос массы происходит в направлении убывания плотности (поэтому знаки jm и dρ/dx противоположны). Диффузия D численно равна плотности потока массы при градиенте плотности, равном единице. Согласно кинетической теории газов, (4) 3. Внутреннее трение (вязкость). Суть механизма возникновения внутреннего трения между параллельными слоями газа (жидкости), которые движущутся с различными скоростями, есть в том, что из-за хаотического теплового движения осуществляется обмен молекулами между слоями, в результате чего импульс слоя, который движется быстрее, уменьшается, который движется медленнее — увеличивается, что приводит к торможению слоя, который движется быстрее, и ускорению слоя, который движется медленнее. Как известно, сила внутреннего трения между двумя слоями газа (жидкости) подчиняется закону Ньютона: (5) где η — динамическая вязкость (вязкость), dν/dx — градиент скорости, который показывает быстроту изменения скорости в направлении х, перпендикулярном направлению движения слоев, S — площадь, на которую действует сила F. Согласно второму закону Ньютона взаимодействие двух слоев можно рассматривать как процесс, при котором в единицу времени от одного слоя к другому передается импульс, который по модулю равен действующей силе. Тогда выражение (5) можно записать в виде (6) где jp — плотность потока импульса — величина, которая определяется определяемая полным импульсом, переносимым в единицу времени в положительном направлении оси х через единичную площадку, перпендикулярную оси х, dν/dx — градиент скорости. Знак минус говорит о том, что импульс переносится в направлении убывания скорости (поэтому знаки jp и dν/dx противоположны). Динамическая вязкость η численно равна плотности потока импульса при градиенте скорости, равном единице; она вычисляется по формуле (7) Из сопосавления формул (1), (3) и (6), которые описывают явления переноса, следует, что закономерности всех явлений переноса сходны между собой. Эти законы были известны еще задолго до того, как они были обоснованы и получены из молекулярно-кинетической теории, которая позволила установить, что внешнее сходство их математических выражений является следствием общностью лежащего в основе явлений теплопроводности, диффузии и внутреннего трения молекулярного механизма перемешивания молекул в процессе их хаотического движения и столкновений друг с другом.
Рассмотренные законы Фурье, Фика и Ньютона не вскрывают молекулярно-кинетической сути коэффициентов λ, D и η. Выражения для коэффициентов переноса получаются из кинетической теории. Они записаны без вывода, поскольку строгое и формальное рассмотрение явлений переноса довольно громоздко, а качественное — не имеет смысла. Формулы (2), (4) и (7) дают связь коэффициентов переноса и характеристики теплового движения молекул. Из этих формул следуют простые зависимости между λ, D и η: и Используя эти формулы, можно по найденным из опыта одним величинам найти другие.