1.8.1. Рекомендуемая литература:
· Основная литература:
1. , , Мансуров общей физики. Механика. - М.: Академия, 2001.
2. , , Мансуров общей физики. Молекулярная физика. - М.: Академия, 1999.
3. 3. , , Мансуров общей физики. Оптика и атомная физика. - М.: Академия, 2000.
4. 4. , , Мансуров общей физики. Электродинамика. - М.: Академия, 2001.
5. Савельев общей физики. Т. 1-3. - М.: Физматлит, 2001.
6. Сивухин курс физики. Т. 1-3. Электричество.-М.: Физматкнига, 2002.
7. Калашников . – М., Наука, 1977.
8. Корсунский . Строение атома. Атомное ядро. – М.: Наука, 1998.
9. Волькенштейн задач по курсу общей физики. – М., Наука, 1988.
10. Трофимова курс физики. – М.: Высшая школа, 2000.
· Дополнительная литература:
1. , Яворский физики. - М.: Высшая школа, 1989; 2000.
2. Матвеев. Курс общей физики. Т.1-5. – М., Просвещение, 1986.
3. Цедрик задач по курсу общей физики. – М., Просвещение, 1989.
4. Руководство к лабораторным занятиям по физике / Под ред. . – М., Наука, 1973.
1.9. Материально-техническое обеспечение дисциплины.
1.9.1. Перечень используемых технических средств:
лабораторное оборудование лабораторий «Механика. Молекулярная физика», «Электричество и магнетизм», «Оптика. Квантовая физика»
Тематика лабораторных работ:
1) Изучение законов равноускоренного движения тел с помощью машины Атвуда.
2) Определение ускорения силы тяжести при помощи оборотного маятника.
3) Проверка основного закона динамики вращательного движения.
4) Определение модуля Юнга по прогибу.
5) Определение коэффициента динамической вязкости воздуха, длины свободного пробега молекул воздуха, эффективного диаметра молекул воздуха.
6) Определение удельной теплоемкости вещества.
7) Определение фокусного расстояния собирательной и рассеивающей линз.
8) Изучение оптических свойств приборов (микроскоп, катетометр).
9) Определение показателей преломления жидкостей с помощью рефрактометров.
10) Исследование различных способов включения потребителей (приемников) электрической энергии.
11) Ампервольтметр (школьный) АВО-63.
12) Изучение работы полупроводниковых выпрямителей.
1.9.2. Перечень используемых пособий:
методические разработки и пособия лабораторий «Механика. Молекулярная физика», «Электричество и магнетизм», «Оптика. Квантовая физика»
1.9.3. Перечень видео - и аудиоматериалов, программного обеспечения:
· компьютерная программа «EWB»;
· компьютерная программа «Открытая физика. 1.1»;
1.10. Примерные зачетные тестовые задания
1.11. Примерный перечень вопросов к зачету (экзамену).
1. Основные формулы кинематики.
2. Законы динамики.
3. Законы сохранения в механике.
4. Момент импульса.
5. Работа, мощность, кинетическая энергия.
6. Основные положения молекулярно-кинетической теории.
7. Газовые закон. Уравнение состояния. Идеальные и реальные газы.
8. Начала термодинамики.
9. Законы электростатики.
10. Электрический ток в различных средах.
11. Магнетизм.
12. Геометрическая и волновая оптика.
13. Квантовые постулаты Бора.
14. Строение атомов и периодическая система элементов .
15. Строение атомного ядра.
16. Элементарные частицы.
А) Вопросы по физике к коллоквиуму № 1.
17. Идеальный газ. Основное уравнение МКТ (без вывода).
18. Термодинамическая шкала температур. Температура абсолютного нуля. Молекулярно-кинетическое истолкование абсолютной температуры и давления.
19. Масса и размеры молекулы (опыт Релея; относительная молекулярная масса; молярная масса; количество вещества).
20. Связь между температурой – Т и средней кинетической энергией поступательного движения молекул – Е пост. Постоянная Больцмана.
21. Объединенный газовый закон. Уравнение Клапейрона — Менделеева. Газовые законы.
22. Внутренняя энергия идеального газа.
23. Измерение скорости молекул. Опыт Штерна (кратко: без формул; пояснить опытные наблюдения).
24. Распределение молекул по скоростям их хаотического движения (распределение Максвелла). Наиболее вероятная скорость движения молекул; средняя скорость; среднеквадратичная скорость.
25. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.
Необходимо знать следующие формулы:
1. Основное уравнение МКТ.
2. Относительная молекулярная масса. Молярная масса.
3. Количество вещества (через N, NA, m, M).
4. Формула, показывающая связь давления – р и абсолютной температуры – Т.
5. Связь между температурой – Т и средней кинетической энергией поступательного движения молекул – Е пост.
6. Объединенный газовый закон.
7. Уравнение Клапейрона — Менделеева (в стандартном виде и вывод его через плотность газа – ρ).
8. Формула внутренней энергии (одного моля и произвольной массы одноатомного идеального газа; двухатомного газа, многоатомного газа, общая формула).
9. Функция распределения Максвелла.
10. Наиболее вероятная скорость, средняя скорость, среднеквадратичная скорость движения молекул.
11. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.
Б) Вопросы по физике к коллоквиуму № 2.
1. Явления переноса в газах: закон диффузии, внутреннее трение.
2. Теплоемкость. Молярная теплоемкость при V – constant. Молярная теплоемкость при р – constant. Уравнение Майера.
3. Первое начало термодинамики.
4. Адиабатный процесс. Вывод уравнения Пуассона (Савельев. Физика. Часть 1. Параграф 88 - С. 280).
5. Второе начало термодинамики (кратко).
6. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
7. Поверхностное натяжение. Определение коэффициента поверхностного натяжения (динамический и энергетический подход). Смачивание. Формула Лапласа.
8. Капиллярные явления.
9. Диаграмма состояний для воды (тройная точка).
Необходимо знать следующие формулы:
1. Средняя длина свободного пробега молекул.
2. Закон диффузии – плотность потока массы (закон Фика). Коэффициент диффузии.
3. Теплопроводность – плотность теплового потока (закон Фурье). Коэффициент теплопроводности.
4. Внутреннее трение – плотность потока импульса (уравнение Ньютона). Коэффициент вязкости.
5. Связь между коэффициентами переноса. Физический смысл коэффициента переноса.
6. Работа идеального газа при его расширении.
7. Первое начало термодинамики.
8. Молярная теплоемкость при V – constant.
9. Молярная теплоемкость при р – constant. Уравнение Майера.
10. Закон Дюлонга и Пти.
11. Коэффициент Пуассона.
12. Уравнение адиабаты.
13. Формулы к. п.д.
14. Определение энтропии. Формулы энтропии через статистический вес и количество теплоты.
15. Третье начало термодинамики – теорема Нернста.
16. Коэффициент поверхностного натяжения.
17. Лапласовское давление.
18. Высота поднятия жидкости в капиллярных сосудах.
19. Относительная влажность воздуха. Точка росы.
1.12. Комплект экзаменационных билетов (утвержденный зав. кафедрой до начала сессии).
Хранится на кафедре.
1.13. Примерная тематика рефератов.
Рефератов у студентов очной формы обучения нет.
1.14. Примерная тематика курсовых работ.
По программе курсовых работ нет.
1.15. Примерная тематика квалификационных (дипломных работ).
По программе дипломных работ нет.
РАЗДЕЛ 2. Методические указания по изучению дисциплины и контрольные задания для студентов заочной формы обучения.
2.1. Примерный перечень вопросов к зачету (экзамену).
1. Основные формулы кинематики.
2. Законы динамики.
3. Законы сохранения в механике.
4. Основные положения молекулярно-кинетической теории.
5. Газовые закон. Уравнение состояния. Идеальные и реальные газы.
6. Начала термодинамики.
7. Законы электростатики.
8. Электрический ток в различных средах.
9. Магнетизм.
10. Геометрическая и волновая оптика.
11. Квантовые постулаты Бора.
12. Строение атомов и периодическая система элементов .
13. Строение атомного ядра.
14. Элементарные частицы.
2.2. Примерная тематика рефератов
1. Представления о пространстве и времени в механике.
2. Наблюдение явлений интерференции и дифракции белого света с помощью видеотехники.
3. Возникновение порядка из хаоса.
4. Применение лазеров.
5. Явление сверхпроводимости.
6. Применение жидких кристаллов.
7. Экспериментальные задачи по физике.
8. Парадоксы теории относительности.
9. Фундаментальные взаимодействия.
10. Физика колебания.
11. Физика волн.
12. Физика лазеров.
13. Современные проблемы атомной физики.
14. Измерение времени.
15. Занимательные физические опыты.
16. Симметрия в физике.
РАЗДЕЛ 3. Содержательный компонент теоретического материала.
3.1. Планы лекций.
Лекция № 1.
Тема: Кинематика материальной точки. Механическое движение.
План.
1. Определение кинематики. Механическое движение.
· Координаты.
· Равномерное прямолинейное движение.
· Координаты и пройденный путь при равномерном прямолинейном движении.
· График модуля скорости.
2. Средняя скорость при неравномерном прямолинейном движении.
· Мгновенная скорость.
· Описание движения на плоскости.
3. Векторы. Радиус-вектор. Вектор перемещения.
· Средняя скорость при произвольном движении.
· Мгновенная скорость при произвольном движении.
Лекция № 2.
Тема: Ускорение.
План.
1. Среднее ускорение. Мгновенное ускорение.
· Движение с постоянным ускорением.
· Центростремительное ускорение.
· Тангенсальное, нормальное и полное ускорения.
2. Угловая скорость и угловое ускорение.
3. Связь между линейной и угловой скоростями.
4. Примеры решения задач.
Лекция № 3.
Тема: Динамика материальной точки.
План.
1. Что изучает динамика. Соотношение между классической, релятивистской и квантовой механикой.
2. Первый закон Ньютона. Инерциальные системы отсчета.
3. Сила, масса, импульс. Второй закон Ньютона.
4. Третий закон Ньютона.
5. Принцип относительности Галилея.
6. Преобразования Галилея и их следствия.
Лекция № 4.
Тема: Динамика твердого тела. Центр масс.
План.
1. Абсолютно твердое тело и виды его движения.
a. Поступательное движение
b. Вращательное движение. Кинематическое описание вращательного движения твердого тела.
c. Плоскопараллельное движение.
2. Мгновенный центр вращения.
3. Центр масс твердого тела.
4. Формула по определению положения центра масс системы.
5. Импульс твердого тела - теорема.
6. Теорема о движении центра масс.
Лекция № 5.
Тема: Динамика твердого тела. Момент силы. Момент инерции.
План.
1. Разложение силы на нормальную и тангенсальную составляющую.
2. Момент силы. Знак момента силы.
3. Момент инерции.
4. Основное уравнение динамики вращательного движения.
5. Моменты инерции разных тел.
6. Примеры решения задач.
Лекция № 6.
Тема: Законы сохранения в механике.
План.
1. Роль законов сохранения.
a. Значение законов сохранения.
b. Связь законов сохранения со свойствами пространства и времени.
2. Закон сохранения импульса.
3. Закон сохранения момента импульса.
4. Примеры решения задач.
Лекция № 7.
Тема: Работа, мощность, энергия.
План.
1. Механическая работа. Работа силы упругости. Консервативные или потенциальные силы.
2. Мощность.
3. Закон сохранения механической энергии.
Лекция № 8.
Тема: Неинерциальные системы отсчета. Силы инерции.
План.
1. Определение неинерциальных систем отсчета.
2. Введение понятия сил инерции.
3. Неинерциальная система отсчета, движущаяся прямолинейно с постоянным ускорением.
4. Примеры решения задач в неинерциальной системе отсчета.
Лекция № 9.
Тема: Вращающаяся система отсчета.
План.
1. Центробежная сила инерции.
2. Сила Кориолиса.
3. Примеры решения задач в неинерциальной системе отсчета.
Лекция № 10.
Тема: Упругие свойства твердых тел.
План.
1. Упругость формы и объема.
2. Упругое и неупругое взаимодействие тел.
3. Закон Гука. Модуль Юнга. Коэффициент Пуассона.
4. Виды упругих деформаций.
5. Примеры решения задач.
Лекция № 11.
Тема: Основное уравнение кинетической теории газов.
План.
1. Идеальный газ.
2. Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов.
3. Термодинамическая шкала температур
4. Масса и размеры молекул.
a. Опыт Релея.
b. Относительная молекулярная масса.
c. Количество вещества, число Авогадро, молярная масса.
5. Связь между температурой и средней кинетической энергией молекул.
6. Объединенный газовый закон. Уравнение Клапейрона.
7. Уравнение Менделеева-Клапейрона.
8. Газовые законы.
9. Примеры решения задач.
Лекция № 12.
Тема: Изменение внутренней энергии.
План.
1. Внутренняя энергия идеального газа.
2. Работа газа при изменении его объема.
3. Первое начало термодинамики.
4. Политропические процессы.
Лекция № 13.
Тема: Тепловые двигатели
План.
1. Цикличность двигателя.
2. Замкнутый цикл.
3. Цикл Карно.
4. Примеры решения задач.
Лекция № 14.
Тема: Второй и третий законы термодинамики.
План.
1. Обратимые и необратимые процессы.
2. Статистическое истолкование 2-ого закона термодинамики.
3. Пояснение понятия – статистический вес.
4. Энтропия. Изменение энтропии.
5. Третье начало термодинамики. Теорема Нернста.
Лекция № 15.
Тема: Распределение молекул по скоростям их хаотического движения.
План.
1. Максвелловский закон распределения молекул газа по скоростям.
2. Реальные газы.
3. Уравнение Ван-дер-Ваальса.
4. Примеры решения задач.
Лекция № 16.
Тема: Электрическое поле
План.
1. Электрическое поле в вакууме.
2. Электрический заряд. Закон Кулона.
3. Напряженность и потенциал электрического поля.
4. Принцип суперпозиции электрических полей.
5. Теорема Гаусса и ее применение.
Лекция № 17.
Тема: Классическая теория электропроводности металлов
План.
1. Природа носителей тока в металлах. Вывод основных законов электрического тока.
2. Работа выхода электронов из металла. Эмиссионные явления и их применение.
3. Работа и мощность электрического тока.
4. Дифференциальная форма закона Джоуля-Ленца. Разветвленные цепи. Правила Кирхгофа.
5. Мощность, выделяемая во внешней цепи.
Лекция № 18.
Тема: Электромагнитная индукция.
План.
1. Явление электромагнитной индукции.
2. ЭДС индукции. Вихревые токи ( токи Фуко).
3. Индуктивность контура.
4. Самоиндукция.
5. Токи при размыкании и замыкании цепи.
6. Взаимная индукция.
7. Энергия магнитного поля.
Лекция № 19.
Тема: Уравнения Максвелла
План.
1. Вихревое электрическое поле.
2. Ток смещения.
3. Уравнения Максвелла для электромагнитного поля.
Лекция № 20.
Тема: Геометрическая оптика.
План.
1. Геометрическая оптика, ее законы.
2. Зеркала, оптические приборы.
3. Линзы, оптические приборы.
Лекция № 21.
Тема: Волновые свойства света.
План.
1. Интерференция света.
2. Дифракция света.
3. Поляризация света.
Лекция № 22.
Тема: Квантовая природа излучения.
План.
1. Кванты света.
2. Тепловое излучение. Закон Кирхгофа.
3.Фотоэлектрический эффект.
Лекция № 23.
Тема: Элементы физики элементарных частиц.
План.
1. Атом. Атомное ядро.
2. Изотопы.
3. Ядерные силы.
4. Мезоны.
5. Превращение ядер.
6. Слабые взаимодействия.
7. Кварки.
8. Гипероны.
Некоторые расширенные конспекты лекций
Вопрос: Импульс твердого тела – теорема.
Рассмотpим тепеpь самый общий случай движения пpоизвольной системы тел. Пpоизвольную систему тел всегда можно свести к системе матеpиальных точек. Это видно из того, что отдельное тело конечных pазмеpов всегда мысленно можно pазбить на столь малые части (частицы), что каждую часть можно pассматpивать как матеpиальную точку. | |
Таким обpазом, выясняя общие законы движения системы тел, можно исходить из пpедставления о системе матеpиальных точек. | |
На pис. 2.1 изобpажена система пронумеpованных точек. На каждую точку оказывают действие внутpенние силы - со стоpоны дpугих точек системы - и внешние силы - со стоpоны внешних тел, непpинадлежащих системе. Внутpенние силы будем обозначать буквой с двумя индексами. Внешние силы - буквой с одним индексом. Напpимеp, сила Fik означает силу, действующую на i-ю точку со стоpоны k-й. Fi есть внешняя сила, действующая на i-ю частицу. | |
Для каждой точки системы можно записать уpавнение движения согласно втоpому закону Ньютона: | (2.15)
|
Тепеpь систему вектоpных уpавнений (2.15) сложим в одно уpавнение:
| |
В пpавой части уpавнения (2.16) двойная сумма изобpажает вектоpную cумму всех внутpенних сил системы. Но согласно тpетьему закону Ньютона каждому действию найдется pавное ему и пpотивоположно напpавленное пpотиводействие. Напpимеp,
| |
Это означает, что двойная сумма внутpенних сил pавняется нулю. С дpугой стоpоны, ускоpение ai = dvi/dt. Знак пpоизводной можно вынести за знак суммиpования, и уpавнение (2.16) пеpеписать в виде
| Под знаком пpоизводной в уpавнении (2.18) стоит полный импульс системы:
Уpавнение (2.18) пpинимает вид
|
Уpавнение (2.20) выpажает собой не что иное, как закон сохpанения импульса в общем виде. Если внешние силы отсутствуют (система замкнута), то пpоизводная от импульса системы по вpемени pавна нулю, а это означает, что импульс системы с течением вpемени сохpаняется и по модулю, и по напpавлению: p=Const (2.21) |
(2.16)
(2.17)
(2.19)
(2.20)Молекулярная физика и термодинамика.
1. Введение.
В отличие от механики, которая изучает движение отдельных частиц или тел под действием различных сил, молекулярная физика имеет дело со свойствами вещества. Как показывает опыт, всякое вещество состоит из большого числа отдельных микроскопических частиц — атомов и молекул, которые взаимодействуют между собой и находятся в непрестанном движении. Такая система частиц называется макроскопической.
Можно выделить три наиболее характерных состояния, в которых может находиться вещество, — твердое, жидкое и газообразное. Свойство тела находиться в одном из этих состояний есть его макроскопическое свойство, не зависящее от свойств отдельных частиц, образующих тело. Например, железо может существовать в кристаллическом состоянии (в виде твердого тела) или пребывать в расплавленном состоянии (в виде жидкости), или испаряться в виде газа, хотя при переходе из одного состояния в другое с самими атомами железа не происходит никаких изменений. Макроскопическими являются также свойства вещества по отношению к внешним воздействиям, например, сжимаемость. Другими словами, макроскопические свойства — это свойства тела, рассматриваемые без учета его внутренней структуры. Задача молекулярной физики — объяснение и изучение макроскопических свойств вещества исходя из известных микроскопических взаимодействий между отдельными составляющими его частицами. Простейшее взаимодействие между частицами — обычное механическое столкновение, но взаимодействия могут быть и более сложными.
С этой точки зрения рассмотрим существование твердого, жидкого и газообразного состояний. Из механики известно, что положение частицы в пространстве характеризуется ее потенциальной энергией U(r), минимум которой отвечает положению устойчивого равновесия. Величина ее кинетической энергии T служит мерой движения частицы. Таким образом, в зависимости от соотношения между величинами потенциальной и кинетической энергий частица будет или «привязана» к определенной области пространства, или совершать свободное движение.
На рис. изображена характерная кривая потенциальной энергии частицы во внешнем поле центра притяжения, имеющая глубокий минимум в точке r0. Эта кривая отвечает взаимодействию частицы с полем, которое приводит к притяжению частицы на больших расстояниях (r > r0) и к отталкиванию на малых (r < r0). Двумя прямыми изображены возможные значения полной энергии частицы E = T + U . В первом случае |U| >> T, и частица не может покинуть «потенциальную яму» — эта ситуация отвечает случаю твердого тела. Во втором случае, когда T >> |U|, частица свободно покидает яму — имеет место случай газа частиц. Промежуточный случай отвечает жидкости.
В макроскопической системе все частицы одинаковы, ни одна из них не является выделенной, и все сказанное может относиться к любой из них. С другой стороны, и потенциальная, и кинетическая энергии частиц в большой системе имеют не произвольные значения, а зависят, благодаря взаимодействию между частицами, от энергии всей системы в целом, которая, в свою очередь, определяется внешними условиями. В результате наибольшая часть частиц в макроскопической системе имеет близкие значения как потенциальной, так и кинетической энергии, поэтому вся система частиц и оказывается в одном из макроскопических состояний.
Таким образом, система большого числа частиц, образующая макроскопическое тело; благодаря взаимодействию между частицами, обнаруживает качественно новые свойства по сравнению с механической системой конечного числа частиц. Поскольку в формировании этих свойств участвуют одновременно все частицы большой системы, для их описания уже недостаточно знания характеристик какой-либо отдельной частицы. Макроскопические свойства тела определяются суммарными и усредненными по большому числу частиц величинами. Такой способ описания является статистическим, а вычисляемые макроскопические характеристики системы называются термодинамическими переменными. Задание термодинамических переменных полностью определяет состояние системы. Пользуясь термодинамическими переменными, можно изучать процессы передачи и преобразования энергии в физических объектах, не обращаясь к микроскопической картине. Статистический и термодинамический методы — основа для изучения явлений и процессов, происходящих в системах, состоящих из большого числа частиц.
Из всего сказанного следует: несмотря на то что каждая отдельная частица подчиняется законам механики, поведение системы большого числа частиц уже не может быть описано законами механики, а подчиняется законам статистической физики и термодинамики. Возникает вопрос: насколько большим должно быть число частиц в системе, чтобы ее описание с помощью законов механики становилось уже недостаточным, и система частиц проявляла бы макроскопические свойства. Для ответа на этот вопрос следует вспомнить, что говорить о существовании каких-либо физических свойств вещества можно лишь тогда, когда существует какой-либо способ их измерения. Иными словами, необходимо указать прибор, с помощью которого можно было бы произвести измерения соответствующих свойств. Процесс измерения представляет собой взаимодействие прибора с макроскопическим телом, и поэтому в процессе измерения все параметры системы изменяются на величину порядка энергии этого взаимодействия. Очевидно, что о макроскопических свойствах системы частиц можно говорить лишь в том случае, если взаимодействие мало изменяет состояние всей системы, так что средние значения всех физических величин в системе при измерении остаются практически неизменными. Если это требование выполняется, систему частиц можно считать большой. При этом точное значение числа частиц в системе не имеет никакого значения точно так же, как и характеристики отдельной частицы. Важно только, что это число частиц велико в указанном выше смысле. В реальных макроскопических телах числа частиц огромны — они составляют величину порядка 1020 частиц на 1 см3.
2. Основные представления кинетической теории
2.1. Теплота как форма энергии. Температура.
Беспорядочное движение микроскопических частиц связано с содержанием в веществе теплоты — особой формы энергии. Эта связь достаточно очевидна на примере зависимости броуновского движения от количества сообщенного телу тепла.
Макроскопическая характеристика теплового движения — температура. Температура есть мера содержащегося в теле тепла. Она же определяет направление перехода тепла — от более нагретого тела к менее нагретому. Если температуры тел одинаковы, то передачи тепла от одного тела к другому не происходит.
Рассматривая теплоту как форму энергии, необходимо связать ее с кинетической энергией частиц. Чем больше нагрето тело, тем больше и кинетическая энергия его частиц. Таким образом, кинетическую энергию движения частиц так же, как и температуру, можно рассматривать как меру теплового движения. Естественно предположить, что обе эти величины связаны между собой. На существование такой связи указывает, например, аналогия между переходом теплоты от одного тела к другому и передачей кинетической энергии при столкновении упругих тел.
Следует помнить, что температура — это макроскопическая характеристика тела, т. е. термодинамическая переменная, в то время как кинетическая энергия характеризует отдельную частицу. Поэтому температура должна быть связана со средней кинетической энергией, приходящейся на одну частицу в системе большого числа частиц. Среднюю кинетическую энергию частиц в системе, состоящей из N частиц, обозначим через <Ek> и определим ее следующим образом:
. (2.1)
Если все частицы одинаковы, массу частицы можно вынести из-под знака суммы:
. (2.2)
Будем считать что температура T ~ 2<Ek>/3 = m<v2>/3.
Для того чтобы выразить температуру в градусах, нужно ввести коэффициент пропорциональности, показывающий, сколько джоулей соответствует одному градусу. Он называется постоянной Больцмана и, как показывают измерения, равен 1,38·10‑23 Дж/К, где К означает градус Кельвина — единицу измерения температуры, используемую в физической шкале. Тогда соотношение между температурой в градусах и энергией в джоулях запишется в виде:
или 
. (2.3)
Принятая в физике шкала температур называется абсолютной шкалой, или шкалой Кельвина. В этой шкале температура замерзания воды, то есть 0°С, соответствует 273,15 градусов Кельвина, что обозначается 273,15 К. Согласно выражению (2.3) при T = 0 всякое тепловое движение частиц в веществе прекращается. Эта температура имеет название абсолютного нуля.
Подчеркнем статистический характер определения температуры, поскольку она связана со средней энергией частиц. Поэтому можно говорить лишь о температуре системы достаточно большого числа частиц — макроскопической системы, и нельзя говорить о температуре одной или, допустим, десяти частиц. В процессе измерения температуры происходит обмен теплом между системой частиц — объектом измерения и измерительным прибором — термометром. Понятие температуры тела приобретает смысл в том случае, если обмен теплом между телом и прибором в процессе измерения температуры мало изменяет состояние тела.
Для характеристики средней скорости движения частиц в системе обычно используется величина, называемая среднеквадратичной, или тепловой скоростью частиц. Средние тепловые скорости частиц существенно зависят от массы частицы
. (2.4)
Для молекулы водорода H2 mH2 = 2·mH, а для молекулы кислорода mO2 = 32·mH, и отношение тепловых скоростей есть
Следовательно, молекулы кислорода движутся в 4 раза медленней. Порядок величины тепловой скорости атомов при T = 300 К, что соответствует комнатной температуре, составляет 103 м/с. Тепловые скорости броуновских частиц составляют по сравнению с ней ничтожные величины.
2.2.Давление идеального газа
Самой простой моделью макроскопического вещества является газ частиц. Газ представляет собой достаточно разреженную систему частиц. Частицы в газе находятся на значительном удалении друг от друга, совершая свободное движение и время от времени сталкиваясь друг с другом. Поэтому в первом приближении при рассмотрении газа можно не учитывать размеры и форму молекул, т. е. считать частицы материальными точками. По этой же причине можно пренебречь взаимодействием частиц на расстоянии, и к столкновениям частиц между собой и со стенками сосуда применять законы соударений упругих шаров. Такой газ называется идеальным. Модель идеального газа позволяет описать существенные черты поведения реального вещества.
Пусть в прямоугольном сосуде находится N молекул идеального газ». Стенки сосуда будем считать «идеально, отражающими». Примем, что при отражении от стенки скорость молекулы не меняется по величине, но меняется лишь по направлению. Если молекула, компонента скорости которой в направлении оси x равна vx, ударяется о стенку, то после отражения компонента ее скорости в этом направлении будет ‑vx.
Для изменения импульса в этом же направлении имеем Dpx = 2·m·vx.
Долетев до противоположной стенки, молекула отразится от нее и снова ударится о первую стенку. Время между ударами составит Δt = 2·l/vx, а число ударов за 1 с будет 
. За 1 с молекула сообщит стенке импульс с компонентой вдоль оси x
.
Но импульс, передаваемый за единицу времени стенке, равен силе, с которой данная молекула действует на стенку. Таким образом, i-я молекула действует на стенку с силой, компонента которой в направлении оси x Fix = mv2ix/l.
|
Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 |
