Ответы на вопросы к госу по МПФ

Идеальный газ. Основное уравнение МКТ. Существует два определения понятия

идеальный газ: термодинамическое и молекулярно-кинетическое. В

термодинамике под идеальным газом понимают газ, у которого при

изотермическом процессе при постоянной массе, давление обратно

пропорционально его объему. Другое определение: Идеальный газ – это газ

состоящий из большого количества молекул, которые представляют собой

материальные точки, не взаимодействующие друг с другом, на расстоянии, но

взаимодействуют при столкновении по закону абсолютно упругого удара.

Принимая молекулу газа за материальную точку, исходят из того, что

суммарный объем меньше объема сосуда и его можно не учитывать.

Следует отметить, что принятая модель идеального газа работает только

тогда, когда газ находится в равновесном состоянии. Эта модель не применима

при высоких давлениях и низких температурах.

[pic]. Доказательство уравнения можно разбить на 4 этапа: 1. Найдем

импульс, приобретенный стенкой при ударе одной молекулы газа. mo – масса

одной молекулы. Разложим силы на составляющие: [pic], [pic]. 2. Найдем

число молекул, которое возможно дойдут до стенки dC. Число молекул в объеме

– половина - [pic]. 3. Общий импульс, полученный стенками сосуда будет

[pic]. Из механики известно, что импульс силы равен изменению импульса тела

[pic], [pic]. 4. [pic], [pic], [pic], проекции скорости на оси равны, так

как все направления равноправны. [pic], [pic] - средняя квадратичная

скорость. [pic] - основное уравнение МКТ. [pic].

Следующим шагом в изучении этого вопроса – введение понятия температура.

Температура характеризует внутреннее состояние изолированной системы тел,

находящихся в состоянии термодинамического равновесия. Можно встретить

следующее определение температуры: Температурой называют скалярную

физическую величину, характеризующую интенсивность теплового движения

молекул изолированной системы в условиях термодинамического равновесия

пропорциональную средней кинетической энергии поступательного движения

молекул.

Предельная температура, при которой давление идеального газа становится

равным нулю, при постоянном объеме или объем газа становится равным нулю

при определенном давлении, называется абсолютным нулем температур.

Учитывая, что [pic], [pic], [pic], [pic], то есть температура является

мерой средней кинетической энергии движения молекул.

15. Методика изучения газовых законов.

Газовые законы могут изучаться индуктивно, либо дедуктивно. При индуктивном

подходе газовые законы изучаются как эмпирические, полученные при обобщении

данных эксперимента, а затем выводят уравнения состояния идеального газа.

Закон Бойля-Мариота. Открыт экспериментально. Р. Бойль – 1662г. Э. Мариот –

1667г. При постоянной температуре объем данной массы газа обратно

пропорционально давлению. PV = const – изотермический процесс T = const,

[pic]. Для данной массы газа произведение давления на объем постоянно, если

температура постоянна. По оси у – V, по x – P, графическая зависимость –

изотерма.

Закон Гей-Люсака. Открыт экспериментально в 1802г. При постоянном давлении

объем данной массы газа зависит от температуры по линейному закону. [pic],

процесс – изобарный [pic]. Для данной массы газа отношение объема к

температуре постоянно, если давление газа не меняется. По оси х – t, y – V.

График – изобара.

Предположим, что имеем 1 моль газа. Газ характеризуется параметрами [pic],

Ро=101325 Па, Vom=22.4 л = 22,4 10-3 м3. [pic], [pic] - универсальная

газовая постоянная. R = 8.31 Дж/К.

Предположим, что имеем [pic], [pic] - уравнение Менделеева – Клайперона.

Другой вывод уравнения М-К. Известно, что давление газа описывается

согласно основному уравнению МКТ [pic] (4) [pic] (5) [pic], [pic], [pic]

(6) – это соотношение найдено фр. Физиком Клайпероном в 1834г. Он хотя и

связал все параметры, характеризующие состояние газа, но это уравнение не

удобно для практического применения. Дело в том, что в него, помимо P, V, T

входят не измеряемые на опыте число молекул N. В 1874 г. Менделеев

усовершенствовал эту формулу, ввел в нее массу: [pic], [pic], [pic].

Закон Шарля. 1787г. Шарль установил, что давление данной массы газа при

постоянном объеме зависит от температуры по линейному закону. [pic], [pic]

- термический коэффициент давления газа.

16. Научно методический анализ основных понятий раздела электродинамика

(Электрический заряд, электрическое поле).

Электродинамика – раздел физики посвященный изучении электрических и

магнитных явлений, в которых основную роль играет взаимодействия между

телами, элементарный заряд. Взаимодействие осуществляется через

электромагнитное поле, связанное с этими телами или частицами. Основное

понятие является понятие электрического заряда и электрического поля.

Наличие электрического заряда у тела (частицы) проявляется во

взаимодействии с другими заряженными телами (частицами). Электрический

заряд – свойство частиц материи или тел, характеризующее их взаимосвязь в

собственном электромагнитном поле. Имеется два вида зарядов: положительный

и отрицательный. Количественно определяется по силовому взаимодействию тел,

обладающих электрическим зарядом.

Авторы Шахмаев и др. На вопрос: Что такое электрический заряд? Отвечают:

понятие заряда в какой-то мере сходно с понятием гравитационной массы.

Подобно тому, как для характеристики гравитационного взаимодействия тел и

частиц было введено понятие массы, так и для характеристики взаимодействия

тел (частиц) введено понятие электрического заряда. Введение понятия массы

позволило изучить явления, связанные с гравитационным взаимодействием

частиц и тел, а введение понятия заряда позволяет изучить электромагнитные

взаимодействия. Опытным путем установлено, что электрический заряд обладает

следующими свойствами: 1. Электрические заряды могут быть двух видов:

положительными и отрицательными; 2. Электрический заряд величина

инвариантная, не зависящая от скорости движения зарядов; 3. Электрический

заряд аддитивен, то есть заряд системы тел равен сумме зарядов тел,

входящих в систему; 4. Все электрические заряды кратны заряду электрона; 5.

Суммарный заряд изолированной системы остается постоянным.

Центральное место в разделе электродинамика при изучении электрических

явлений занимает закон сохранения электрического заряда, который

подтверждается наблюдателями. Для демонстрации закона сохранения заряда

используют следующее оборудование: электролиты с шаровыми кондукторами,

пластинки для электризации (эбонит и из органического стекла), разрядник на

изолированной ручке. Из опыта делается вывод: сумма зарядов замкнутой

системы остается постоянной.

Затем изучается закон Кулона. На основе опыта с крутильными весами.

Сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов в вакууме прямо

пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату

расстояний между ними.

Два неподвижных точечных заряда находятся в вакууме на расстоянии R друг от

друга и взаимодействуют с силами, направленными по одной прямой,

соединяющей эти заряды, модули этих сил пропорциональны произведению

зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояний между ними. [pic], к

– коэффициент пропорциональности. [pic], [pic]- электрическая постоянная.

[pic], [pic].

Необходимо напомнить учащимся, что закон Кулона справедлив для точеных

неподвижных заряженных тел. Если размеры тел и расстояния между ними

соизмеримы, то закон Кулона не применим.

Далее формируют понятие об электрическом поле. Самый простой случай

электромагнитного взаимодействия проявляется при создании поля покоящихся

заряженными телами. В этом случае электромагнитное поле предстает как поле

электростатическое.

На основе опытов: 1) Поднося к электрометру наэлектризованную палочку,

замечаем что стрелка отклоняется еще до того, как палочка коснется

электрометра; 2) Помещаем стрелку из сухого дерева, она займет между шарами

вполне определенное положение. Эти опыты говорят о том, что вокруг

наэлектризованных тел существует материальный передатчик взаимодействия

электрических зарядов, который называем электрическим полем.

Показываем, что электрическое поле, существующее вокруг наэлектризованной

палочки на различных расстояниях от палочки не одинаково. Следовательно, не

обходимо ввести физическую величину, которая характеризует электрические

поле. Для этого можно воспользоваться действием поля на пробный

электрический заряд q. Отношение силы, с которой электрическое поле

действует на пробный заряд к этому заряду будет зависеть от поля, которое

изучается и от положения пробного заряда в нем.

Напряженностью электрического поля называют векторную величину, являющуюся

силовой характеристикой электрического поля в данной точке. Напряженность

равна отношению силы с которой поле действует на точечный положительный

электрический заряд к этому заряду. [pic], [pic]. Если поля создаются n

зарядами и в это поле вводится заряд q, то равнодействующая сила,

действующая на заряд q, равна векторной сумме сил.

Напряженность поля системы зарядов равна векторной сумме напряженностей

поля каждого из зарядов системы. Этот вывод называется принципом

суперпозиции.

Распределение поля в пространстве можно сделать видимым. Дается

определение: Непрерывные линии, касательные к которым в каждой точке, через

которую они проходят, совпадают с вектором напряженности называются

силовыми линиями электрического поля, либо линиями напряженности.

Опыт: с помощью султанов показывают демонстрации, сначала с одним, затем с

двумя.

17. Научно методический анализ основных понятий раздела электродинамики

(Потенциал, разность потенциалов, отношение между напряженностью поля и

разностью потенциалов).

Работа электрического поля по перемещению заряда [pic], [pic], [pic],

[pic].

Из курса физики 9 класса известно, что если работа не зависит от формы

траектории, то она равна изменению потенциальной энергии, взятой со знаком

минус. Следовательно, введем обозначение [pic] - потенциальная энергия

заряда в положении 2, аналогично для положения 1. Значит потенциальная

энергия заряда в однородном электростатическом поле в общем случае равен

[pic] (3). (эта формула подобна [pic]), но заряд в отличие от массы может

быть положительным и отрицательным. Если поле совершает положительную

работу, то потенциальная энергия заряженного тела уменьшается,

одновременно, согласно закону сохранения энергии, кинетическая энергия –

увеличивается, то есть заряд ускоряется в поле.

Физический смысл имеет не сила потенциальной энергии, а разность ее

значений, определенная работой поля при перемещении заряда из начального

положения в конечное.

Отметим, что работа электростатического поля при перемещении заряда из

одной точки в другую не зависит от начального и конечного положений заряда.

На замкнутой траектории положительного заряда. На замкнутой траектории

работа электростатического поля всегда равна нулю.

Из (3) следует, что потенциальная энергия заряда пропорциональна заряду,

следовательно отношение потенциальной энергии к заряду не зависит от

помещенного в поле заряда. Это позволяет ввести новую характеристику поля –

потенциал.

Потенциалом электростатического поля называют отношение потенциальной

энергии заряда в поле к этому заряду. [pic] (4). [pic] - скалярная

величина, энергетическая характеристика поля, определяет потенциальную

энергию заряда q в данной точке поля.

Модуль и знак потенциала определяется выбором нулевого уровня.

Потенциал поля системы зарядов равен арифметической сумме потенциалов,

созданных каждым из зарядов в отдельности.

Работа по перемещению заряда [pic] (6).

Вводим обозначение [pic] - напряжение или разность потенциалов. [pic] (7).

Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению

работы поля при перемещении заряда из начальной точки в конечную к этому

заряду.

Далее рассматривается вопрос о связи напряженности электростатического поля

и разности потенциалов. Пусть заряд q перемещается в направлении

электрического поля E из 1 в 2. Работа, совершенная полем A будет равна

[pic], [pic]=>[pic] (8) последняя формула позволяет найти напряженность

поля, если известно напряжение между двумя точками, расположенными на

расстоянии ?d. Она также показывает, что чем меньше меняется потенциал на

расстоянии ?d, тем меньше напряженность электростатического поля, если

потенциал не меняется, то напряженность поля равна нулю.

Согласно определения, напряженность [pic], [pic] из (8) [pic]

18. Методика изучения главы «Магнитное поле».

Известно что между неподвижными электрическими зарядами действуют силы,

определяемые законом Кулона. Однако, между электрическими зарядами могут

существовать и силы иной природы. Обратимся к опыту: ленты из фольги с

наконечниками – 2шт, штатив, источник тока ВС-21М, рассчитанный на 10А.

Если пропустить ток через фольгу в одну и ту же сторону, то наблюдается

притяжение фольги друг к другу, если пропустить ток разного направления, то

они отталкиваются.

Взаимодействие между проводниками с током, т.е. взаимодействие между

движущимися зарядами называются магнитными. Силы, с которыми проводники с

током действуют друг на друга называются магнитными силами.

В учебнике физики 10 (мяк, Бух) авторы используют аналогию между

электрическими и магнитными полями, отмечая, что подобно тому, как в

пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды возникает

электрическое поле, вокруг проводника с током возникает магнитное поле.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи посредством которой

осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными

частицами.

Затем рассматривают свойства магнитного поля:

1. магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).

(опыт Эрстеда, Иоффе, Эйхенвальда)

2. магнитное поле обнаруживается по действию на ток (движущиеся заряды).

3. Магнитное поле существует реально и не зависит от нашего сознания.

Действие магнитного поля может быть больше или меньше, имеет определенную

направленность, следовательно должно характеризоваться некоторой величиной

называемой магнитной индукцией В.

При определении модуля В можно использовать следующие методические подходы:

а) силовой характеристикой электрического поля является напряженность Е,

силовую характеристику магнитного поля можно определить.

Следует учесть что сила с которой действует магнитное поле на пробный ток

зависит не только от силы тока, но и от длины активной части, в которой

этот ток существует, следовательно в качестве силовой характеристики

магнитного поля надо взять отношение силы F, с которой магнитное поле

действует на пробный ток, к силе тока I и длины проводника l.

[pic], В – векторная величина, однако следует отметить, что ее направление

не совпадает с направлением силы, с которой магнитное поле действует на

ток.

Т.о. магнитная индукция – векторная величина, являющаяся силовой

характеристикой магнитного поля.

[B]=Тл, 1Тл= Н / А м

б) В начале изучают закон Ампера. Экспериментально установлено, что сила,

действующая на проводник с током FА, находящийся в магнитном поле, прямо

пропорциональна длине проводника и силе тока в нем, а так же зависит от

угла альфа между направлением тока и линии магнитной индукции в том месте,

где находится проводник. Эта сила также зависит от магнитного поля. Эту

зависимость выражают через В: [pic].

Направление Fa, определяется правилом левой руки: Если расположить левую

руку вдоль проводника, чтобы 4 вытянутых пальца указывали направление тока

в нем, а линии магнитной индукции входили в ладонь, то отогнутый большой

палец будет указывать направление силы Ампера. После этого обращают

внимание, что сила Ампера максимальна когда синус альфа равен 1, то есть

альфа равен 900. [pic].

в) магнитное поле оказывает ориентирующее действие на рамку с током,

помещенного в нем. Это означает, что магнитное поле характеризуется

величиной В.

Опытом показывают, что максимальный момент сил действующих на рамку с током

пропорционален Мmax ~ I S, S – площадь, ограниченная витком и не зависит от

формы контура. Именно поэтому отношение Мmax к I S не зависит от параметров

контура и характеризует магнитное поле в данном месте: [pic].

Направление В, определяют с помощью правила буравчика (правый винт).

Сила Лоренца. Согласно закону Ампера сила, с которой магнитное поле

действует на проводник с током определяется следующим образом [pic]. Сила с

которой магнитное поле действует на движущийся заряд называется силой

Лоренца Fл.

Если на участок проводника длинной l, по которому течет ток I, магнитное

поле с В действует с силой FA, то Fл=FA/N, N – число свободных электронов в

рассматриваемом участке проводника.

N=nV, n – концентрация, N = n S l

[pic], I = n l S, - средняя скорость упорядоченных электронов. I =

q / l, q=ne

[pic].

Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки, указательный

вдоль вектора скорости движения положительно заряженной частицы или против

вектора скорости, если частица отрицательно заряжена.

Графически магнитное поле изображается линиями индукции. Линиями магнитной

индукции называются линии, касательные к которым направлены так же как в

вектор магнитной индукции в данной точке. Важная особенность, линии

магнитной индукции замкнуты.

Поля с замкнутыми силовыми линиями называют вихревыми.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментально

свойство магнитного поля – магнитное поле не имеет источников, магнитных

зарядов подобных электрическим нет. Линии магнитной индукции магнитного

поля реально не существуют.

19. Методика изучения под темы «Законы постоянного тока» в 10 классе.

Классическая электронная теория (разработана в 1900г. Друде, которую развил

Лоренц) предполагает:

1) движение электронов подчиняется законам классической механики;

2) электроны друг с другом не взаимодействуют;

3) электроны взаимодействуют только с ионами кристаллической решетки, это

взаимодействие сводится только к соударению;

4) в промежутках между соударениями электрон движется свободно;

5) электроны проводимости рассматривают как электронный газ, подобно

идеальному газу; идеальный газ подчиняется закону равномерного

распределения энергии по степеням свободы этому же закону подчиняется и

электронный газ.

Классическая электронная теория хорошо объясняет существование

сопротивления металлов, законы Ома и Джоуля-Ленца – зависимость

электропроводимости от температуры и позволяют понять связь теплоты и

электропроводимости металлов.

Однако в некоторых случаях классическая теория приводит к выводам

находящихся в противореции с опытом, например, согласно этой теории

удельное сопротивление с ростом температуры должно возрастать

пропорционально корню из Т. Опыт подтверждает прямую пропорциональную

зависимость [pic]. В классической электронной теории теплоемкость металлов

и явление сверхпроводимости совершенно не объяснимы.

Трудности классической электронной теории связаны с тем, что:

а) электронная проводимость не подчиняется законам статики Максвелла-

Больцмана;

б) не учитывается взаимодействие друг с другом;

в) не учитывается, что электрон движется в периодическом поле

кристаллической решетки;

г) движение электронов описывается по законам классической механики, а не

по законам квантовой механики.

На смену классической электронной теории пришла квантовая теория твердых

тел, в которой преодолены трудности классической теории.

Необходимо отметить, что классическую электронную теорию применяют и

сейчас, т.к. она проста и наглядна, а при малых концентрациях носителей

заряда и больших температурах квантовая и классическая теории дают близкие

результаты.

Качественное объяснение некоторых вопросов уже давалось в 8 кл. В 10 классе

этим не ограничиваются, необходимо ввести важные для понимания материала

формулы.

Следует обратить внимание учащихся на:

1) когда и зачем создана эта теория; 2) основные положения и модельные

представления; 3) применение классической электронной теории (какие явления

и факты объясняются данной теорией); 4) трудности классической электронной

теории и причины их возникновения; 5) задачи классической ЭТ.

Электронная проводимость металла была доказана следующими фундаментальными

опытами: Опыт Ринке: В точ. через проводник, состоящий из Cu-Al-Cu

пропустили ток, за это время состав составной проводник прошел огромный

заряд 3,5 106Кл, следовательно переноса вещества не наблюдалось, масса

осталась неизменной, соприкасающиеся поверхности не изменились. Вывод –

перенос заряда в металлах осуществляется частицами, входящими в состав всех

металлов (электроны).

Предлагается школьникам задача: какое изменение произойдет если бы ток

представлял собой движение ионов?

В опытах Мандельштама и Папалекси, Стюарта, Толмена лежала следующая идея –

регистрация инерционного движения электронов.

Закон Ома для участка цепи выводится на основе опыта.

Скорость распространения электрического тока в проводниках – это скорость с

которой распространяется действие электрического поля на заряды в

проводнике. Поле почти мгновенно увлекает электроны в упорядоченное и очень

медленное движение доли мм/сек.

В 10 классе показывают, что средняя скорость упорядоченного движения

электронов под действием электрического поля определяет силу тока в

проводнике.

Пусть проводник имеет поперечное сечение площадью S, за положительное

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5