«Класс!ная физика» переезжает с "народа"!
«Класс!ная физика» - это сайт для тех, кто любит физику, учится сам и учит других.
«Класс!ная физика» - всегда рядом!
Интересные материалы по физике для школьников, учителей и всех любознательных.
Исходный сайт "Класс!ная физика" (class-fizika.narod.ru) с 2006 года входит в выпуски каталога «Образовательные ресурсы сети-интернет для основного общего и среднего (полного) общего образования», одобрено Министерством образования и науки РФ, Москва.
Читай, познавай, исследуй!
Мир физики интересен и увлекателен, он приглашает всех любознательных
в путешествие по страницам сайта «Класс!ная физика».
А для начала - наглядная карта физики, которая показывает, откуда берут начало и как связаны между собой различные области физики, что они изучают, и для чего они нужны.
Карта Физики создана по видеоролику The Map of Physics от Доминика Вилиммана канала Domain of Science.
Физика и секреты художников
Тайны мумий фараонов и изобретения Ребрандта, подделки шедевров и секреты папирусов Древнего Египта - искусство скрывает в себе много тайн, но современные физики с помощью новых методов и приборов находят объяснения все большему числу удивительных секретов прошлого......... читать
Азбука физики
Всемогущее трение
Оно - всюду, да куда без него и денешься?
А вот три помощника-богатыря: графит, молебденит и тефлон. Эти удивительные вещества, обладающие очень высокой подвижностью частиц, применяются в настоящее время в качестве великолепной твердой смазки......... читать
Воздухоплавание
"Так поднимаются к звездам!" - начертано на гербе основателей воздухоплавания братьев Монгольфье.
Известный писатель Жюль Верн летал на воздушном шаре всего лишь 24 минуты, но это помогло ему создать увлекательнейшие художественные произведения......... читать
Паровые двигатели
"Этот могучий исполин был трёхметрового роста: гигант с лёгкостью тянул фургон с пятерыми пассажирами. На голове у Парового Человека была труба дымохода, откуда валил густой чёрный дым... всё, даже лицо, было сделано из железа, и все это непрерывно скрежетало и грохотало..." О ком это? Кому эти дифирамбы? ......... читать
Тайны магнита
Фалес Милетский наделял его душой, Платон сравнивал его с поэтом, Орфей находил его подобным жениху... В эпоху Возрождения магнит считали отображением неба и приписывали ему способность искривлять пространство. Японцы считали, что магнит - это сила, которая поможет повернуть к вам фортуну......... читать
По ту сторону зеркала
Знаете ли Вы, сколько интересных открытий может подарить "зазеркалье"? У изображения Вашего лица в зеркале правая и левая половины переставлены местами. А ведь лица редко бывают полностью симметричными, поэтому окружающие видят Вас совершенно иным. Задумывались ли Вы над этим? ......... читать
Секреты обыкновенного волчка
"Сознание того, что чудесное было рядом с нами, приходит слишком поздно." - А.Блок.
Знаете ли Вы, что малайцы могут часами завороженно наблюдать за вращением волчка. Однако, требуется немалое умение, чтобы правильно раскрутить его, ведь вес малайского волчка может достигать нескольких килограммов......... читать
Изобретения Леонардо да Винчи
" Я хочу создавать чудеса!"-говорил он и спрашивал себя: "Но скажи мне, сделано ли тобою хоть что-нибудь?" Леонардо да Винчи писал свои трактаты тайнописью с помощью обыкновенного зеркала, поэтому его зашифрованные рукописи впервые смогли прочитать лишь три столетия спустя.........
При равноускоренном движении справедливы следующие уравнения, которые мы приводим без вывода:
Как вы понимаете, векторная формула слева и две скалярные формулы справа равноправны. С точки зрения алгебры, скалярные формулы означают, что при равноускоренном движении проекции перемещения зависят от времени по квадратичному закону. Сравните это с характером проекций мгновенной скорости (см. § 12-з).
Зная, что sx = x – xo и sy = y – yo (см. § 12-е), из двух скалярных формул из правой верхней колонки получим уравнения для координат:
Поскольку ускорение при равноускоренном движении тела постоянно, то координатные оси всегда можно расположить так, чтобы вектор ускорения был направлен параллельно одной оси, например оси Y. Следовательно, уравнение движения вдоль оси X заметно упростится:
x = xo + υox t + (0) и y = yo + υoy t + ½ ay t²
Обратите внимание, что левое уравнение совпадает с уравнением равномерного прямолинейного движения (см. § 12-ж). Это означает, что равноускоренное движение может «складываться» из равномерного движения вдоль одной оси и равноускоренного движения вдоль другой. Подтверждением этому служит опыт с ядром на яхте (см. § 12-б).
Задача . Вытянув руки, девочка подбросила шар. Он поднялся на 80 cм и вскоре упал к ногам девочки, пролетев 180 cм. С какой скоростью шар был подброшен и какую скорость шар имел при ударе о землю?
Возведём в квадрат обе части уравнения для проекции на ось Y мгновенной скорости: υy = υoy + ay t (см. § 12-и). Получим равенство:
υy² = ( υoy + ay t )² = υoy² + 2 υoy ay t + ay² t²
Вынесем за скобки множитель 2 ay только для двух правых слагаемых:
υy² = υoy² + 2 ay ( υoy t + ½ ay t² )
Заметим, что в скобках получилась формула для вычисления проекции перемещения: sy = υoy t + ½ ay t². Заменяя её на sy , получим:
Решение. Сделаем чертёж: ось Y направим вверх, а начало координат поместим на земле у ног девочки. Применим выведенную нами формулу для квадрата проекции скорости сначала в верхней точке подъёма шара:
0 = υoy² + 2·(–g)·(+h) ⇒ υoy = ±√¯2gh = +4 м/с
Затем при начале движения из верхней точки вниз:
υy² = 0 + 2·(–g)·(–H) ⇒ υy = ±√¯2gh = –6 м/с
Ответ: шар был брошен вверх со скоростью 4 м/с, а в момент приземления имел скорость 6 м/с, направленную против оси Y.
Примечание. Надеемся, вы понимаете, что формула для квадрата проекции мгновенной скорости будет верна по аналогии и для оси X:
Если движение одномерное, то есть происходит только вдоль одной оси, можно пользоваться любой из двух формул в рамках.
Положение тел относительно выбранной системы координат принято характеризовать радиусом-вектором , зависящим от времени. Тогда положение тела в пространстве в любой момент времени можно найти по формуле:
.
(Напомним, что в этом и заключается основная задача механики.)
Среди множества различных видов движения самым простым является равномерное – движение с постоянной скоростью (нулевым ускорением), причем неизменным должен оставаться вектор скорости (). Очевидно, что такое движение может быть только прямолинейным. Именно при равномерном движении перемещение вычисляется по формуле:
Иногда тело движется по криволинейной траектории так, что модуль скорости остается постоянным () (такое движение нельзя назвать равномерным и к нему нельзя применить формулу). В этом случае пройденный путь может быть вычислен по простой формуле:
Примером такого движения является движение по окружности с постоянной по модулю скоростью .
Более сложным является равноускоренное движение – движение с постоянным ускорением (). Для такого движения справедливы две формулы кинематики:
из которых можно получить две дополнительные формулы, которые часто могут быть полезны при решении задач:
;
Равноускоренное движение не обязательно должно быть прямолинейным. Необходимо лишь, чтобы вектор ускорения оставался постоянным. Примером равноускоренного, но не всегда прямолинейного движения, является движение с ускорением свободного падения (g = 9,81 м/с 2), направленным вертикально вниз.
Из школьного курса физики знакомо и более сложное движение – гармонические колебания маятника, для которого формулы – не справедливы.
При движении тела по окружности с постоянной по модулю скоростью оно движется с так называемым нормальным (центростремительным ) ускорением
направленным к центру окружности и перпендикулярным скорости движения.
В более общем случае движения по криволинейной траектории с меняющейся скоростью ускорение тела можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие и представить в виде суммы тангенциального (касательного) и нормального (перпендикулярного, центростремительного) ускорения:
,
где – орт вектора скорости и орт нормали к траектории; R – радиус кривизны траектории.
Движение тел всегда описывается относительно какой-либо системы отсчета (СО). При решении задач необходимо выбрать наиболее удобную СО. Для поступательно движущихся СО формула
позволяет легко переходить от одной СО к другой. В формуле – скорость тела относительно одной СО; – скорость тела относительно второй СО; – скорость второй СО относительно первой.
Вопросы для самопроверки и задачи
1) Модель материальной точки: в чем ее суть и смысл?
2) Сформулируйте определение равномерного, равноускоренного движения.
3) Сформулируйте определения основных кинематических величин (радиуса-вектора, перемещения, скорости, ускорения, тангенциального и нормального ускорения).
4) Напишите формулы кинематики равноускоренного движения, выведите их.
5) Сформулируйте принцип относительности Галилея.
2.1.1. Прямолинейное движение
Задача 22. (1) Автомобиль движется по прямолинейному участку дороги с постоянной скоростью 90 . Найти перемещение автомобиля за 3,3 мин и его положение в этот же момент времени, если в начальный момент времени автомобиль находился в точке, координата которой равна 12,23 км, а ось Ox направлена 1) вдоль движения автомобиля; 2) против движения автомобиля.
Задача 23. (1) Велосипедист движется по загородной дороге на север со скоростью 12 в течение 8,5 мин, затем он, свернув направо на перекрестке, проехал еще 4,5 км. Найти перемещение велосипедиста за время его движения.
Задача 24. (1) Конькобежец движется прямолинейно с ускорением 2,6 , и за 5,3 с его скорость увеличилась до 18 . Найти начальное значение скорости конькобежца. Какое расстояние пробежит спортсмен за это время?
Задача 25. (1) Автомобиль движется прямолинейно, притормаживая перед знаком ограничения скорости 40 с ускорением 2,3 Сколько времени длилось такое движение, если перед началом торможения скорость автомобиля была равна 70 ? На каком расстоянии от знака водитель начал тормозить?
Задача 26. (1) С каким ускорением движется поезд, если на пути 1200 м его скорость возросла от 10 до 20 ? Сколько времени затратил поезд на этот путь?
Задача 27. (1) Тело, брошенное вертикально вверх, вернулось на землю через 3 с. Какова была начальная скорость тела? На какой максимальной высоте оно побывало?
Задача 28. (2) Тело на веревке поднимают с поверхности земли с ускорением 2,7 м/с 2 вертикально вверх из состояния покоя. Через 5,8 с веревка оборвалась. Сколько времени двигалось тело до земли после того, как оборвалась веревка? Сопротивлением воздуха пренебречь.
Задача 29. (2) Тело начинает двигаться без начальной скорости с ускорением 2,4 Определить путь, пройденный телом за первые 16 с от начала движения, и путь, пройденный за последующие 16 с. С какой средней скоростью двигалось тело эти 32 с?
2.1.2. Равноускоренное движение в плоскости
Задача 30. (1) Баскетболист бросает мяч в кольцо со скоростью 8,5 под углом 63 о к горизонту. С какой скоростью мяч попал в кольцо, если долетел до него за 0,93 с?
Задача 31. (1) Баскетболист бросает мяч в кольцо. В момент броска мяч находится на высоте 2,05 м, а через 0,88 с падает в кольцо, расположенное на высоте 3,05 м. С какого расстояния от кольца (по горизонтали) произведен бросок, если мяч был брошен под углом 56 о к горизонту?
Задача 32. (2) Мяч брошен горизонтально со скоростью 13 , спустя некоторое время его скорость оказалась равной 18 . Найти перемещение мяча за это время. Сопротивлением воздуха пренебречь.
Задача 33. (2) Тело брошено под некоторым углом к горизонту с начальной скоростью 17 м/с. Найти величину этого угла, если дальность полета тела в 4,3 раза больше максимальной высоты подъема.
Задача 34. (2) Бомбардировщик, пикирующий со скоростью 360 км/ч, сбрасывает бомбу с высоты 430 м, находясь по горизонтали на расстоянии 250 м от цели. Под каким углом должен пикировать бомбардировщик? На какой высоте окажется бомба спустя 2 с от начала падения? Какую скорость она будет иметь в этой точке?
Задача 35. (2) Самолет, летевший на высоте 2940 м со скоростью 410 км/ч, сбросил бомбу. За какое время до прохождения над целью и на каком расстоянии от нее самолет должен сбросить бомбу, чтобы попасть в цель? Найти модуль и направление скорости бомбы спустя 8,5 с от начала ее падения. Сопротивлением воздуха пренебречь.
Задача 36. (2) Снаряд, выпущенный под углом 36,6 о к горизонту, дважды был на одной и той же высоте: спустя 13 и 66 с после вылета. Определить начальную скорость, максимальную высоту подъема и дальность полета снаряда. Сопротивлением воздуха пренебречь.
2.1.3. Движение по окружности
Задача 37. (2) Грузило, движущееся на леске по окружности с постоянным тангенциальным ускорением, к концу восьмого оборота имело скорость 6,4 м/с, а после 30 с движения его нормальное ускорение стало 92 м/с 2 . Найти радиус этой окружности.
Задача 38. (2) Мальчик, катающийся на карусели, движется при остановке карусели по окружности радиусом 9,5 м и проходит путь 8,8 м, имея в начале этой дуги скорость 3,6 м/с, а в конце – 1,4 м/с. Определить полное ускорение мальчика в начале и конце дуги, а также время его движения по этой дуге.
Задача 39. (2) Муха, сидящая на краю лопасти вентилятора, при его включении движется по окружности радиусом 32 см с постоянным тангенциальным ускорением 4,6 см/с 2 . Через сколько времени после начала движения нормальное ускорение будет вдвое больше тангенциального и чему будет равна линейная скорость мухи в этот момент времени? Сколько оборотов муха сделает за это время?
Задача 40. (2) При открывании двери ручка из состояния покоя движется по окружности радиусом 68 см с постоянным тангенциальным ускорением, равным 0,32 м/с 2 . Найти зависимость полного ускорения ручки от времени.
Задача 41. (3) Для экономии места въезд на один из высочайших в Японии мостов устроен в виде винтовой линии, обвивающей цилиндр радиусом 65 м. Полотно дороги составляет с горизонтальной плоскостью угол 4,8 о. Найти ускорение автомобиля, движущегося по этой дороге с постоянной по модулю скоростью, равной 85 км/ч?
2.1.4. Относительность движения
Задача 42. (2) Два корабля движутся относительно берегов со скоростью 9,00 и 12,0 узлов (1 узел = 0,514 м/с), направленной под углом 30 и 60 о к меридиану соответственно. С какой скоростью второй корабль движется относительно первого?
Задача 43. (3) Мальчик, который может плавать со скоростью, в 2,5 раза меньшей скорости течения реки, хочет переплыть эту реку так, чтобы его как можно меньше снесло вниз по течению. Под каким углом к берегу мальчик должен плыть? На какое расстояние его снесет, если ширина реки равна 190 м.
Задача 44. (3) Два тела одновременно начинают двигаться из одной точки в поле силы тяжести с одинаковой скоростью, равной 2,6 м/с. Скорость одного тела направлена под углом π/4, а другого – под углом –π/4 к горизонту. Определить относительную скорость этих тел через 2,9 с после начала их движения.
Изучением классического механического движения в физике занимается кинематика. В отличие от динамики, наука изучает, почему движутся тела. Она отвечает на вопрос, как они это делают. В данной статье рассмотрим, что такое ускорение и движение с постоянным ускорением.
Понятие об ускорении
Когда тело движется в пространстве, за некоторое время оно преодолевает определенный путь, который является длиной траектории. Чтобы рассчитать этот путь, пользуются понятиями скорости и ускорения.
Скорость как физическая величина характеризует быстроту во времени изменения пройденного пути. Скорость направлена по касательной к траектории в сторону перемещения тела.
Ускорение — это несколько более сложная величина. Говоря кратко, она описывает изменение скорости в рассматриваемый момент времени. Математическое выглядит так:
Чтобы яснее понять эту формулу, приведем простой пример: предположим, что за 1 секунду движения скорость тела увеличилась на 1 м/с. Эти цифры, подставленные в выражение выше, приводят к результату: ускорение тела в течение этой секунды было равно 1 м/с 2 .
Направление ускорения совершенно не зависит от направления скорости. Его вектор совпадает с вектором результирующей силы, которая вызывает это ускорение.
Следует отметить важный момент в приведенном определении ускорения. Эта величина характеризует не только изменение скорости по модулю, но и по направлению. Последний факт следует учитывать в случае криволинейного движения. Далее в статье будет рассматриваться только прямолинейное движение.
Скорость при движении с постоянным ускорением
Ускорение является постоянным, если оно в процессе движения сохраняет свой модуль и направление. Такое движение называют равноускоренным или равнозамедленным — все зависит от того, приводит ли ускорение к увеличению скорости или к ее уменьшению.
В случае движения тела с постоянным ускорением определить скорость можно по одной из следующих формул:
Первые два уравнения характеризуют равноускоренное перемещение. Отличие между ними заключается в том, что второе выражение применимо для случая ненулевой начальной скорости.
Третье уравнение — это выражение для скорости при равнозамедленном движении с постоянным ускорением. Ускорение при этом направлено против скорости.
Графиками всех трех функций v(t) являются прямые. В первых двух случаях прямые имеют положительный наклон относительно оси абсцисс, в третьем случае этот наклон является отрицательным.
Формулы пройденного пути
Для пути в случае движения с ускорением постоянным (ускорение a = const) получить формулы несложно, если вычислить интеграл от скорости по времени. Проделав эту математическую операцию для записанных выше трех уравнений, мы получим следующие выражения для пути L:
L = v 0 *t + a*t 2 /2;
L = v 0 *t - a*t 2 /2.
Графиками всех трех функций пути от времени являются параболы. В первых двух случаях правая ветвь параболы возрастает, а для третьей функции она постепенно выходит на некоторую константу, которая соответствует пройденному пути до полной остановки тела.
Решение задачи
Двигаясь со скоростью 30 км/ч, автомобиль начал ускоряться. За 30 секунд он прошел расстояние 600 метров. Чему было равно ускорение автомобиля?
В первую очередь переведем начальную скорость из км/ч в м/с:
v 0 = 30 км/ч = 30000/3600 = 8,333 м/с.
Теперь запишем уравнение движения:
L = v 0 *t + a*t 2 /2.
Из этого равенства выразим ускорение, получим:
a = 2*(L - v 0 *t)/t 2 .
Все физические величины в этом уравнении известны из условия задачи. Подставляем их в формулу и получаем ответ: a ≈ 0,78 м/с 2 . Таким образом, двигаясь с ускорением постоянным, автомобиль за каждую секунду увеличивал свою скорость на 0,78 м/с.
Рассчитаем также (для интереса), какую скорость он приобрел через 30 секунд ускоренного движения, получаем:
v = v 0 + a*t = 8,333 + 0,78*30 = 31,733 м/с.
Полученная скорость равна 114,2 км/ч.
КОНСПЕКТ
Лекций по физике
МЕХАНИКА
Кинематика
Кинематика - это раздел механики, изучающий механическое движение без анализа причин его вызывающих .
Механическое движение - простейшая форма движения тел, заключающаяся в изменении с течением времени положения одних тел относительно других, либо положения частей тела друг относительно друга. При этом тела взаимодействуют по законам механики.
Основные понятия :
Материальная точка – тело, размерами и формами которого можно пренебречь.
Тело отсчёта – тело, относительно которого рассматривается движение исследуемого тела (других тел).
Система отсчёта – совокупность тела отсчета, связанной с ним системы координат и часов, неподвижных относительно тела отсчета.
Радиус-вект ор – вектор, соединяющий начало координат с точкой расположения тела в данный момент времени.
Траектория – линия, которую описывает тело (центр масс ) в процессе своего движения,
Путь – скалярная физическая величина, равная длине траектории, описываемой телом за рассматриваемый промежуток времени. ( , м)
Скорость – векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения частицы по траектории, и направление, в котором движется частица в каждый момент времени, т.е. изменения положения со временем (υ, м/с).
Ускорение – векторная физическая величина, равная отношению приращения скорости тела за некоторый промежуток времени к величине этого промежутка, т.е. быстроту (скорость) изменения скорости (а , м/с 2).
Вектор ускорения может меняться за счет изменения его направления, величины, или и того и другого. Если скорость уменьшается, то пользуются термином «замедление».
Скорость точки
Виды движений:
движение тела, при котором оно проходит одинаковые пути за любые равные промежутки времени.
1 – Координата точки в момент времени t.
2 – Координата точки в начальный момента времени t = 0
3 –Проекция вектора скорости на координатную ось
Движение с постоянным ускорением
a = = S = υ 0 t ± υ = υ 0 ± a t
Равномерное движение по окружности –
Динамика
Динамика - раздел механики, в котором изучаются причины возникновения механического движения.
Масса – скалярная физическая величина, являющаяся количественной мерой инертности тела, а также характеризующая количество вещества (m, кг),
Сила – векторная физическая величина, являющаяся мерой взаимодействия тел и приводящая к появлению у тела ускорения или к деформации тела. Сила характеризуется величиной, направлением и точкой приложения (F, Н).
СИЛЫ
Законы Ньютона:
Первый закон Ньютона:
в инерциальных системах отсчёта замкнутая система продолжает оставаться в состоянии покоя или прямолинейного равномерного движения .
Классическая механика Ньютона применима в особом классе инерциальных систем отсчёта .
Все инерциальные системы отсчёта движутся друг относительно друга прямолинейно и равномерно.
Второй закон Ньютона:
сила, действующая на систему извне, приводит к ускорению системы.
Третий закон Ньютона:
сила действия равна по модулю и противоположна по направлению силе противодействия; силы имеют одинаковую природу, но приложены к разным телам и не компенсируются.
Силы в природе :
Закон сохранения импульса
Импульс – векторная физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость: ,
Закон сохранения импульса:
Закон сохранения энергии
Энергия – характеристика движения и взаимодействия тел, их способность совершать изменения во внешнем мире (Е, Дж).
Под полной механической энергией понимают сумму кинетической и потенциальной энергий:
Полная механическая энергия
Кинетическая энергия
Потенциальная энергия тела - скалярная физическая величина, характеризующая способность тела (или материальной точки) совершать работу за счет своего нахождения в поле действия сил.
Кинетическая энергия тела - энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек.
Закон сохранения механической энергии:
Абсолютная шкала температур
Введена англ. физиком У. Кельвином
- нет отрицательных температур
Единица абсолютной температуры в СИ: [T] = 1K (Кельвин)
Нулевая температура абсолютной шкалы – это абсолютный ноль (0К = -273 С), самая низкая температура в природе. В настоящее время достигнута самая низкая температура - 0,0001К.
По величине 1К равен 1 градусу по шкале Цельсия.
Связь абсолютной шкалы со шкалой Цельсия:
в формулах абсолютная температура обозначается буквой «Т», а температура по шкале Цельсия буквой «t».
Основное уравнение МКТ газа
Основное уравнение МКТ связывает микропараметры частиц (массу молекулы, среднюю кинетическую энергию молекул, средний квадрат скорости молекул) с макропараметрами газа (р - давление, V - объем, Т - температура).
средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул средняя квадратичная скорость
средняя кинетическая энергия поступательного движения молекул
Средняя квадратичная скорость : =
Внутренняя энергия одноатомного идеального газа : U = = pV
Газы характеризуются полной беспорядочностью расположения и движения молекул.
Расстояние между молекулами газа во много раз больше размеров молекул. Малые силы притяжения не могут удержать молекулы друг около друга, поэтому газы могут неограниченно расширяться.
Давление газа на стенки сосуда создается ударами движущихся молекул газа.
Жидкость
Тепловое движение молекул в жидкости выражено колебаниями около положения устойчивого равновесия внутри объема, предоставленного молекуле ее соседями.
Молекулы не могут свободно перемещаться по всему объему вещества, но возможны переходы молекул на соседние места. Этим объясняется текучесть жидкости, способность менять свою форму.
В жидкости расстояние между молекулами равно приблизительно диаметру молекулы. При уменьшении расстояния между молекулами (сжимании жидкости) резко увеличиваются силы отталкивания, поэтому жидкости несжимаемы.
Тепловое движение молекул в твердом теле выражается только лишь колебаниями частиц (атомов, молекул) около положения устойчивого равновесия.
Большинство твердых тел имеет упорядоченное в пространстве расположение частиц, которые образуют правильную кристаллическую решетку. Частицы вещества (атомы, молекулы, ионы) расположены в вершинах - узлах кристаллической решетки. Узлы кристаллической решетки совпадают с положением устойчивого равновесия частиц.
Влажность воздуха:
Точка росы
– температура, при которой пар становится насыщенным
Твердое тело
Основы термодинамики
Основные понятия:
Термодинамика – теория физики, изучающая тепловые свойства макроскопических систем, не обращаясь к микроскопическому строению тел, составляющих систему.
Термодинамическая система – физическая система, состоящая из большого числа частиц (атомов и молекул), которые совершают тепловое движение, и взаимодействуя между собой, обмениваются энергиями.
Термодинамика рассматривает только равновесные состояния.
Равновесные состояния – состояния, в которых параметры термодинамической системы не меняются со временем.
Термодинамический процесс – переход системы из начального состояние в конечное через последовательность промежуточных состояний (любое изменение термодинамической системы).
Термодинамические процессы
Внутренняя энергия – энергия, состоящая из суммы энергий молекулярных взаимодействий и энергии теплового движения молекул, зависящая только от термодинамического состояния системы.
Способы изменения внутренней энергии :
- Совершение механической работы.
- Теплообмен (теплопередача)
Теплообмен – передача внутренней энергий от одного тела к другому.
Теплообмен
десублимация
сублимация
парообразование
конденсация
кристаллизация
плавление
Количество теплоты (Q, Дж) – мера энергии
Количество теплоты:
Первый закон термодинамики
Формулирока первого закона термодинамики:
Совершение работы
Q 2 – отдаваемая энергия (передаётся «остаток» энергии)
Тепловая машина должна работать циклически. По окончании цикла тело возвращается в своё первоначальное состояние, при этом внутренняя энергия принимает начальное значение. Работа цикла может совершаться только за счёт внешних источников, подводящих теплоту к рабочему телу.
Реальные тепловые двигатели работаю по разомкнутому циклу, т.е. после расширения газ выбрасывается, а в машину вводится новая порция газа.
Коэффициент полезного действия
КПД (η ) – отношение работы А совершённой рабочим телом за цикл, к количеству теплоты Q полученным рабочим телом за этот же цикл.
η = · 100% = · 100% = · 100%
КПД характеризует степень экономичности теплового двигателя, зависит только от температуры нагревателя и холодильника.
ü Для повышения КПД тепловой машины можно увеличить температуру нагревателя и уменьшить температуру холодильника;
ü КПД всегда < 1
Второй закон термодинамики
Второй закон термодинамики определяет направление процессов, происходящих в природе и связанных с превращением энергии.
Формулировки второго закона термодинамики:
- Несуществим термодинамический процесс, в результате которого происходила бы передача тепла от холодного тела к более горячему, без каких-либо других изменений в природе.
- В природе не возможен процесс, единственным результатом которого является превращение всей теплоты, полученной от некоторого тела, в работу.
Второй закон термодинамики отрицает возможность использования запасов внутренней энергии какого-либо источника без перевода её на более низкий уровень, т.е. без холодильника.
ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
Электродинамика - наука о свойствах электромагнитного поля.
1. ЭЛЕКТРОСТАТИКА
- раздел электродинамики, изучает покоящиеся электрически заряженные тела.
Элементарные частицы
могут иметь эл. заряд, тогда они называются заряженными; взаимодействуют друг с другом с силами, которые зависят от расстояния между частицами, но превышают во много раз силы взаимного тяготения (это взаимодействие называется электромагнитным).
Электрический заряд
– основная скалярная физическая величина, определяющая интенсивность электромагнитных взаимодействий (q, Кл).
1 Кл - заряд, проходящий за 1 секунду через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А.
Существует 2 знака эл.зарядов: положительный и отрицательный.
Частицы с одноименными зарядами отталкиваются, с разноименными - притягиваются.
Протон имеет положительный заряд, электрон - отрицательный, нейтрон - электрически нейтрален.
Элементарный заряд
- минимальный заряд, разделить который невозможно.
Тело заряжено
, если имеет избыток зарядов какого-либо знака:
отрицательно заряжено - если избыток электронов;
положительно заряжено - если недостаток электронов.
Электризация тел
- один из способов получения заряженных тел.
При этом оба тела заряжаются, причем заряды противоположны по знаку, но равны по модулю.
МАГНИТЫ
Магниты имеют два полюса: S (южный) и N (северный), которые обладают наибольшей силой притяжения.
Одноимённые полюса магнита отталкиваются друг от друга, а разноимённые – притягиваются.
Характеристики магнитного поля:
Магнитный поток (Ф, Вб) – число линий магнитной индукции пронизывающих площадку.
Напряжённость магнитного поля (Н, А/м) – величина, которая характеризует магнитное поле в какой либо точке пространства, созданное макротоками (токи, текущие в проводах электрической цепи) в проводниках независимо от окружающей среды.
В = μ с Н
Для прямолинейного тока: Н = ;
в центре кругового тока: Н = ;
в центре соленоида: Н = .
Магнитная проницаемость вещества
Значение магнитной индукции зависит от среды, в которой существует магнитное поле. Отношение магнитной индукции В поля в данной среде к магнитной индукции В о в вакууме, характеризует магнитные свойства данной среды и называется относительной магнитной проницаемостью вещества - µ.
ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ
Способы получения индукционного тока:
Явление электромагнитной индукции – возникновение электрического тока в замкнутом проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле так, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур, меняется. Чем быстрее меняется число линий магнитной индукции, тем больше индукционный ток.
ЗАКОН ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ:
Электрический ток в цепи возможен, если на свободные заряды проводника действуют сторонние силы. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда вдоль замкнутого контура называется ЭДС. При изменении магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, в контуре появляются сторонние силы, действие которых характеризуется ЭДС индукции.
Учитывая направление индукционного тока, согласно правилу Ленца:
ЭДС индукции в замкнутом контуре равна скорости изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную контуром, взятой с противоположным знаком.
ВИХРЕВОЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ
Причина возникновения электрического тока в неподвижном проводнике - электрическое поле.
Всякое изменение магнитного поля порождает индукционное электрическое поле независимо от наличия или отсутствия замкнутого контура, при этом если проводник разомкнут, то на его концах возникает разность потенциалов; если проводник замкнут, то в нем наблюдается индукционный ток.
Вихревые токи:
Индукционные токи в массивных проводниках называют токами Фуко. Токи Фуко могут достигать очень больших значений, т.к. сопротивление массивных проводников мало. Поэтому сердечники трансформаторов делают из изолированных пластин.
В ферритах - магнитных изоляторах вихревые токи практически не возникают.
Использование вихревых токов
Нагрев и плавка металлов в вакууме, демпферы в электроизмерительных приборах.
Вредное действие вихревых токов
Это потери энергии в сердечниках трансформаторов и генераторов из-за выделения большого количества тепла.
САМОИНДУКЦИЯ
Явление самоиндукции – возникновение ЭДС индукции в цепи, которое вызвано изменением магнитного поля тока, текущего в этой же цепи.
Собственное магнитное поле в цепи постоянного тока изменяется в моменты замыкания и размыкания цепи и при изменении силы тока.
Индуктивность
(коэффициент самоиндукции) – физическая величина, показывающая зависимость ЭДС самоиндукции от размеров и формы проводника и от среды, в которой находится проводник.
Индуктивность катушки зависит от:
числа витков, размеров и формы катушки и от относительной магнитной проницаемости среды (возможен сердечник).
ЭНЕРГИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ТОКА
Вокруг проводника с током существует магнитное поле, которое обладает энергией.
Энергия магнитного поля равна собственной энергии тока.
Собственная энергия тока численно равна работе, которую должен совершить источник тока для преодоления ЭДС самоиндукции, чтобы создать ток в цепи.
Переменный ток
Переменный ток – ток, изменяющийся по направлению и величине по гармоническому закону.
Действующее значение силы тока – сила постоянного тока, выделяющего в проводнике за то же время такое же количество теплоты, что и переменный ток. I =
Мгновенное значение силы тока пропорционально мгновенному значению напряжения и совпадает по фазе: i = = I m cos ωt
Действующее значение переменного напряжения определяется аналогично действующему значению силы тока U =
Мгновенное значение напряжения меняется по гармоническому закону: u = U m cos ωt
Активные сопротивления – электрические устройства, преобразующие электрическую энергию во внутреннюю (высокоомные провода, спирали нагревательных приборов, резисторы).
Мощность переменного тока.
При совпадении фаз колебаний силы тока и напряжения мгновенная мощность переменного тока равна:
p = iu = i 2 R= I m U m cos 2 ωt
Среднее значение мощности за период переменного тока равно: p =
Индуктивность и ёмкость в цепи переменного тока:
1. Индуктивность
В катушке, включённой в цепь переменного напряжения, сила тока меньше силы тока в цепи постоянного напряжения для этой же катушки. Следовательно, катушка в цепи переменного напряжения создает большее сопротивление, чем в цепи постоянного напряжения.
Напряжение опережает ток по фазе на π/2
Индуктивное сопротивление равно: Х L = ωL = 2πνL
Закон Ома: I m = , где Lω – индуктивное сопротивление.
2. Ёмкость
При включении конденсатора в цепь постоянного напряжения сила тока равна нулю, а при включении конденсатора в цепь переменного напряжения сила тока не равна нулю. Следовательно, конденсатор в цепи переменного напряжения создает сопротивление меньше, чем в цепи постоянного тока.
Емкостное сопротивление равно: Х С = =
Резонанс в электрической цепи.
Резонанс в электрической цепи – явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний тока при совпадении частот ω 0 = ω, где ω 0 – собственная частота колебательного контура, ω – частота питающего напряжения.
Принцип действия основан на явлении электромагнитной индукции.
Принцип действия на холостом ходу, т.е. без R н:
ε инд1 /ε инд2 = ω 1 /ω 2 = k, где ε инд1 и ε инд2 – ЭДС индукции в обмотках, ω 1 и ω 2 - число витков в обмотках,
k – коэффициент трансформации.
Если k > 1 , то трансформатор понижает напряжение; если k < 1 , то трансформатор повышает напряжение. При холостом ходе трансформатор потребляет из сети небольшую энергию, которая затрачивается на перемагничивание его сердечника.
Трансформаторы для преобразования переменных токов больших мощностей обладают высоким КПД.
Передача электрической энергии:
5. Электромагнитные колебания и волны
Колебательный контур – цепь, в которой энергия электрического поля могла бы превращаться в энергию магнитного поля и обратно.
Электрический колебательный контур – система, состоящая из конденсатора и катушки, соединённых между собой в замкнутую электрическую цепь
Свободные электромагнитные колебания – периодически повторяющиеся изменения силы тока в катушке и напряжения между обкладками конденсатора без потребления энергии от внешних источников.
Если контур «идеален», т.е. электрическое сопротивление равно 0 Х L = Х С ω =
Т = 2π – формула Томсона (период свободных электромагнитных колебаний в электрическом контуре)
Электромагнитное поле – особая форма материи, совокупность электрических и магнитных полей.
Переменные электрические и магнитные поля существуют одновременно и образуют единое электромагнитное поле.
ü При скорости заряда, равной нулю, существует только электрическое поле.
ü При постоянной скорости заряда возникает электромагнитное поле.
ü При ускоренном движении заряда происходит излучение электромагнитной волны, которая распространяется в пространстве с конечной скоростью.
Материальность электромагнитного поля:
ü можно зарегистрировать
ü существует независимо от нашей воли и желаний
ü имеет большую, но конечную скорость
Электромагнитные волны
Изменяющееся во времени и распространяющееся в пространстве (вакууме) электромагнитное поле со скоростью 3 · 10 8 м/с образует электромагнитную волну. Конечная скорость распространения электромагнитного поля приводит к тому, что электромагнитные колебания в пространстве распространяются в виде волн.
Вдали от антенны значения векторов Е и В совпадает по фазе.
Главное условие возникновения электромагнитной волны – ускоренное движение электрических зарядов.
Скорость электромагнитной волны: υ = νλ λ = = υ2π
Свойства волн:
Ø отражение, преломление, интерференция, дифракция, поляризация;
Ø давление на вещество;
Ø поглощение средой;
Ø конечная скорость распространения в вакууме с;
Ø вызывает явление фотоэффекта;
Ø скорость в среде убывает.
6. ВОЛНОВАЯ ОПТИКА
Оптика
– раздел физики, изучающий световые явления.
По современным представлениям свет имеет двойственную природу (корпускулярно-волновой дуализм): свет обладает волновыми свойствами и представляет собой электромагнитные волны, но одновременно является и потоком частиц – фотонов. В зависимости от светового диапазона проявляются в большей мере те или иные свойства.
Скорость света в вакууме:
При решении задач для вычислений берут обычно величину c = 3 · 10 8 км/с.
ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА
Волновая поверхность – множество точек, колеблющихся в одинаковой фазе.
Принцип Гюйгенса: Каждая точка, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных сферических волн.
Законы отражения света
MN - отражающая поверхность
АА 1 и ВВ 1 - лучи падающей плоской волны
АА 2 и ВВ 2 - лучи отраженной плоской волны
АС - волновая поверхность падающей плоской волны перпендикулярна падающим лучам
DB - волновая поверхность отраженной плоской волны перпендикулярная отраженным лучам
α - угол падения (между падающим лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности)
β - угол отражения (между отраженным лучом и перпендикуляром к отражающей поверхности)
Законы отражения:
1. Падающий луч, луч отраженный и перпендикуляр, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости.
2. Угол падения равен углу отражения.
ПРЕЛОМЛЕНИЕ СВЕТА
Преломление света – это изменение направления распространения света при прохождении через границу раздела двух сред.
Законы преломления света:
1. Луч падающий и луч преломленный лежат в одной плоскости с перпендикуляром к поверхности раздела двух сред, восстановленным в точке падения луча.
2. Отношение синуса угла падения к синусу угла преломления для двух данных сред есть величина постоянная
где n – это относительный показатель преломления (иначе показатель преломления второй среды относительно первой)
Показатель преломления
Физический смысл: он показывает во сколько раз скорость света в той среде, из которой луч выходит, больше скорости света в той среде, в которую он входит.
ПОЛНОЕ ВНУТРЕННЕЕ ОТРАЖЕНИЕ СВЕТА
Пусть абсолютный показатель преломления первой среды больше, чем абсолютный показатель преломления второй среды
, то есть первая среда оптически более плотная.
Тогда, если направит
