Физика в МГУ (билеты-вопросы-ответы) по лекциям Ремезовой Н.И. и лекторов из МГУ

Центр тяжести тела.

Центр масс (центр тяжести)- точка, через которую должна проходить линия

действия силы, чтобы тело двигалось поступательно. Любая сила, линия

действия которой не проходит через центр масс, непременно вызывает поворот

или вращение тела.

Устойчивое, неустойчивое и безразличное равновесие тел.

Устойчивое равновесие- тело возвращается на исходное место после отклонения

от положения равновесия. Неустойчивое равновесие- тело продолжает двигаться

в заданном направлении после выведения его из положения равновесия.

Безразличное равновесие- где бы тело н находилось, оно находится в

состояние равновесия.

1.5.Механика жидкостей и газов.

Давление.

Сила давления- сила, действующая на погружающееся тело со стороны жидкости

или газа и направленная вверх. Они возникают в результате сжатия жидкости

или газа, то есть силы давления- это силы упругости. Силы давления всегда

перпендикулярны поверхности, на которую действуют, и распределены по ней

равномерно. Давлением на данный участок называется величина, измеряемая

отношением силы давления, действующей на данный участок, к его площади.

p=F/S. Давление столба жидкости или газа на глубине h равно p=(gh.

Единицы измерения давления: Паскаль, мм рт. ст.

Паскаль- единица давления, возникающая при равномерном действии силы в 1 Н

на поверхность площадью 1 м2. (Па(((Н/м2(. Миллиметр ртутного столба-

давление, создаваемое столбом ртути высотой в 1 мм. Сокращенно- мм рт. ст.

Это внесистемная единица. 1 мм рт. ст.(133 Па.

Закон Паскаля.

Жидкость или газ, заключенные в замкнутый сосуд, передают производимое на

них поверхностное давление по всем направлениям одинаково.

Гидравлический пресс.

В основе принципа лежи закон Паскаля. Приложим к поршню силу F, она создаст

давление p=F1/S1 ( Большой поршень начнет подниматься и создаст силу F2=pS2

( F2/F1=S2/S1. Гидравлический пресс позволяет с помощью малой силы

уравновесить большую силу.

Давление жидкости на дно и стенки сосуда.

Пусть дно горизонтально, тогда Р=(gh, F=(ghS=(gV. Если дно обладает

произвольной формой, но одинаковой площадью S, то F=(gV. m=(V=(Sh,

mg=(ghS=PS( P=mg/S. Давление на дно сосуда всегда одинаково, несмотря на

его форму. На стенки давление жидкости будет Р=(gh, где h- глубина, на

которой измеряется давление на стенки.

Сообщающиеся сосуды.

Сообщающиеся сосуды состоят из двух или нескольких цилиндров различных

диаметров и форм, соединенных между собой трубкой. При однородной жидкости

высоты столбов будут одинаковы. Закон сообщающихся сосудов: при равновесии

различных жидкостей высоты столбов, измеряемых от уровня, разделяющего

жидкости, обратно пропорциональны удельным весам жидкостей.

Атмосферное давление.

Так как воздух- газ и обладает весом, то он способен передавать

производимое на него давление во все стороны равномерно, ( существует

давление, уменьшающееся кверху и увеличивающееся книзу. Это подтвердил опыт

Торричелли. Нормальное атмосферное давление- давление, при котором высота

ртутного столба равна 760 мм.

Опыт Торричелли.

В стеклянную трубку длиной 1 м, запаянную с одного конца, заливают ртуть.

Затем отверстие трубки закрывают, трубку переворачивают и помещают в сосуд

с ртутью. Когда отверстие откроют, то столб ртути немного опустится и

установится на определенной высоте (760 мм). В трубке с ртутью образуется

безвоздушное пространство («торичеллиева» пустота). Ртуть не вытекает из

трубки полностью, так как на нее действует сила тяжести со стороны воздуха

на сосуд с ртутью и распределяется равномерно во все стороны.

Изменение атмосферного давления с высотой.

Около поверхности Земли давление больше, чем на некотором расстоянии от

нее. Это объясняется тем, что на молекулы воздуха также действуют силы

притяжения.

Закон Архимеда для тел, находящихся в жидкости или газе жидкости и газе.

Закон Архимеда: на тело, помещенное в газ или жидкость, действует

вертикально вверх сила, равная весу вытесненного телом газа или жидкости.

Выталкивающая сила всегда приложена к центру тяжести вытесненного объема

жидкости или газа.

Плавание тел.

На тело, погруженное в жидкость, действуют сила тяжести и выталкивающая

сила. Если первая сила больше, то тело тонет, если нет, то всплывает.

Всплывание происходит до тех пор, пока силы не станут равны.

1.6.Механические колебания и волны. Звук.

Понятие о колебательном движении.

Колебание- движение, при котором тело (материальная точка) поочередно

смещается то в одну, то в другую сторону. Условия, необходимые для наличия

колебаний:

1)наличие возвращающей силы, возникшей в системе в результате выведения ее

из положения равновесия;

2)отсутствие трения в системе (или очень мало);

3)система должна обладать инертностью.

Период и частота колебаний.

Период- время одного полного колебания; T=2((m/k(, T=2((l/g(. Частота-

число полных колебаний за единицу времени. 1Герц (Гц)- частота такого

колебательного движения, при котором колеблющееся тело совершает одно

полное колебание за одну секунду. (Гц(((1/с(

Гармонические колебания.

Гармонические колебания- колебания, при которых величина смещения тела от

положения равновесия с течением времени подчиняется законам: x=Asin((t+(0),

x=Acos((t+(0).

Закон свободных гармонических колебаний: x=Asin((t+(0), x=Acos((t+(0);

(=x((t)=А(cos((t+(0); a=(((t)=-А(2sin((t+(0).

Гармонические колебания характеризуют:

1)период- время одного полного колебания; T=2((m/k(, T=2((l/g(;

2)амплитуда- максимальное смещение от положения равновесия;

3)частота- число полных колебаний за единицу времени. 1Герц (Гц)- частота

такого колебательного движения, при котором колеблющееся тело совершает

одно полное колебание за одну секунду.

Смещение, амплитуда и фаза при гармонических колебаниях.

Смещение тела относительно положения равновесия можно определить в любой

момент по формуле: x=Asin((t+(0), x=Acos((t+(0). Амплитуда- максимальное

смещение от положения равновесия. Фаза колебаний- это все, что стоит под

знаком синуса или косинуса. Она определяется величиной, измеряемой долей

периода, прошедшей от начала колебания.

Свободные колебания.

Свободные колебания- колебания, возникшие в системе под действием

внутренних сил этой системы после того, как она была выведена из положения

равновесия. Внутренние силы- силы, действующие между телами внутри

рассматриваемой системы.

Колебания груза на пружине.

Система, состоящая из тела, скрепленного с пружиной. После выведения этой

системы из состояния равновесия пружина окажется деформированной, а на тело

будет действовать сила упругости- тело будет колебаться.

Математический маятник.

Математический маятник- подвешенный к тонкой нити груз, размеры которого

много меньше длины нити, а его масса много больше массы нити (т.е. груз

можно считать материальной точкой, а нить невесомой).

Периоды их колебаний.

Fупр.+Fтяж.=F, проектируем на ось.

F=0-mgsin(=-mgx/l=-kx=ma

-kx=ma (a=-kx/m;

k/m=(2; (=(k/m(=2(/T

Период колебаний груза на пружине: T=2((m/k(

Так как k=mg/l, то период колебаний математического маятника T=2((l/g(.

Превращение энергии при гармонических колебаниях.

t=0: выведение тела из положения равновесия, сообщение телу потенциальной

энергии, нет скорости тела ; EP=kx2/2.

t=T/8: возникает у тела скорость под действием силы упругости.

t=T/4: прохождение телом положение равновесия с мах скоростью.

t=3T/8: тело смещается в противоположную сторону.

t=T/2: тело смещается в крайнее положение, нет скорости тела.

Затухающие колебания.

Любые колебания являются затухающими, если они не имеют источника энергии

извне. Этому способствует сила трения.

Вынужденные колебания.

Вынужденные колебания- колебания системы, которые вызываются действием на

нее внешней силы, периодически изменяющейся с течением времени. F=F0sin(t,

F=F0cos(t.

Резонанс.

Резонанс- резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при совпадении

частоты вынуждающей силы, действующей на систему, с частотой свободных

колебаний.

Понятия о волновых процессах.

Волновой процесс- распространение колебаний в упругой среде. В процессе

распространения колебаний не происходит перенос массы вещества, а

происходит только перенос энергии от одной точки к другой.

Поперечные и продольные волны.

Поперечная волна- волна, в которой колебания частиц вещества происходят

перпендикулярно к распространению волн. Продольная волна- волна, в которой

колебания частиц вещества происходят вдоль линии распространения волн.

Длина волны.

Длина волны (()- расстояние, на которое распространится волна за время,

равное одному периоду колебаний.

Скорость распространения волны.

Скорость распространения волны- скорость перемещения гребня или впадины в

поперечной волне и скорость сжатия и разжатия в продольной волне.

Фронт волны.

Фронт волны- совокупность точек, до которых дошел процесс распространения

колебаний. В однородной среде плоский источник колебаний дает плоский фронт

волны, а точечный- сферический.

Интерференция волн.

Интерференция волн- явление чередования (усиления и ослабления) волнового

процесса, обусловленное сложением двух или нескольких волн с одинаковыми

частотами. Амплитуда колебаний, вызванных действием нескольких волн, в

любой момент времени равна векторной сумме амплитуды каждой волны в

отдельности и не меняется с течением времени. Если на геометрической

разности хода укладывается четное число полуволн, то в этой точке будет

интерференционного максимума (((2k(/2), если нечетное- то минимума

((((2k(()(/2).

Принцип Гюйгенса.

Каждая точка фронта волны является точечным источником так называемых

вторичных волн. Френель дополнил принцип Гюйгенса: вторичные волны,

исходящие из любой точки фронта волны обязательно интерферируют.

Дифракция волн.

Дифракция- явление огибания волнами препятствий. Дифракция присуща любому

волновому процессу. Если размер щели значительно больше, чем длина волны,

то волна проходит сквозь щель почти не изменяя своей формы, лишь по краям

будут небольшие искривления

Звуковые волны.

Звуковая волна- последовательность сжатий и разряжений упругой среды

(продольная волна), распространяющаяся с определенной скоростью. Сжатия и

разряжения вызывают колебания давления. Человеческое ухо улавливает

колебания с диапазоном частоты 17 Гц(20000 Гц. Звуковые волны в вакууме не

распространяются.

Скорость звука.

Скорость в воздухе при температуре t=1(C (=332 м/с, при повышении

температуры на один градус скорость увеличивается на 0,6 м/с. Она не

зависит от частоты колебаний и от давления. В различных средах скорость

звука разная: в водороде- 1270 м/с, в воде- 1450 м/с, в железе- 5000м/с.

Громкость и высота звука.

Громкость звука- сила звука и ее ощущение. Она зависит от амплитуды

колебаний (чем больше амплитуда, тем громче звук). Высота звука зависит от

частоты колебаний (чем больше частота, тем выше высота звука).

2.Молекулярная физика и термодинамика.

2.1.Основы молекулярно-кинетической теории.

Основные положения МКТ и их опытное обоснование.

1)Все вещества состоят из мельчайших частиц- молекул.

2)Молекулы находятся в беспрерывном хаотическом движении.

3)Между молекулами существуют силы взаимодействия- притяжения и

отталкивания.

4)Молекулы любого вещества разделены промежутками.

Молекула- мельчайшая частица вещества, обладающая всеми его свойствами.

Броуновское движение.

В 1827 г. английский ботаник Броун заметил движение пылинок в капле воды.

Масса и размер молекул.

Относительная молекулярная масса- число, показывающее во сколько раз масса

молекулы данного вещества больше 1/12 массы молекулы углерода (1,66 10-27).

Количество вещества- физическая величина, пропорциональная числу

структурных элементов системы. Молярная масса- масса вещества, взятого в

количестве 1 моль. М=m0NА. (=m/M, (=N/NA, N=NAm/M

Моль вещества.

Моль- количество вещества, масса которого в граммах равна молекулярной

массе. Число Лошмидта показывает сколько молекул при нормальных условиях

находится в единице объема. Оно равно 2,7 1025 м-3.

Постоянная Авогадро.

NА=6,02 1023 моль-1- число Авогадро. Оно показывает, какое число молекул

содержится в моле. Опытным путем было доказано, что в моле любого вещества

содержится одно и то же число молекул.

Характер движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах.

В газах при нормальном атмосферном давлении молекула двигалась бы

прямолинейно, если бы не было других молекул. В реалии это не так, поэтому

направление и скорость молекул беспрерывно меняются. В жидкостях молекулы

расположены практически вплотную друг к другу, и поэтому их движение

напоминает «топтание на месте» в окружении тех же соседей. В твердых телах

каждая молекула совершает колебательное движение около своего положения

равновесия, причем направление, вдоль которого совершаются эти колебания, и

их амплитуда беспрерывно меняются.

Тепловое равновесие.

Тепловое равновесие- состояние физической системы, при котором все ее

компоненты имеют одинаковую температуру.

Температура и ее физический смысл.

Температура- важнейший микропараметр системы.

Свойства: 1)характеризует внутреннее состояние тела, 2)температура тел,

находящихся в тепловом контакте выравнивается.

Термодинамическое равновесие- такое состояние, при котором все

макропараметры остаются неизменными сколько угодно долго.

Измерение температуры:

тело необходимо привести в тепловой контакт с термометром;

масса термометра должна быть значительно меньше массы тела;

показания термометра следует отсчитывать после наступления теплового

равновесия.

Физический смысл температуры: температура- мера средней кинетической

энергии молекул (мера интенсивности движения молекул).

Шкала температур Цельсия.

Шкала Цельсия измеряет температуру, опираясь на температуру таяния льда при

нормальном давлении и температуру кипения воды при том же давлении.

Идеальный газ.

1)Молекула не имеет собственного объема, то есть представляет собой

материальную точку.

2)Время столкновения молекул друг с другом значительно меньше, чем время

между двумя столкновениями.

3)взаимодействие молекул газа происходит только при столкновениях, которые

являются упругими.

4)Межмолекулярные силы взаимодействия отсутствуют.

Основное уравнение МКТ идеального газа.

F=ma=m(v-v0)/t ( Ft=m(v

F(t=(mv- закон импульса

F(t=((m0vX)=vXm0-(-vXm0)=2m0vX, (t=2L/vX ( F=m0vx2/L, F=Nm0v2/3L,

P=1/3nm0v2

Это уравнение называется уравнение Клаузиса. Следствия: 1)P=1/3(v2,

2)P=2/3Ekn.

Средняя кинетическая энергия молекул и температура.

Температура, выраженная в шкале Кельвина, пропорциональна средней

кинетической энергии молекул P/n=const. P/n=2/3EK. P/n=kT. 2/3EK=kT,

EK=3/2kT. k=R/NA. k- константа Больцмана.

Постоянная Больцмана.

k=R/NA- константа Больцмана. k=1,38 10-23Дж/К Она связывает температуру в

энергетических единицах с температурой в Кельвинах. Физический смысл

температуры: температура- мера средней кинетической энергии поступательного

движения молекул.

P=2/3EKn=2/3*3/2kT=nkT- закон Авогадро.

Абсолютная температурная шкала.

В системе «си» принята так называемая термодинамическая шкала - шкала

Кельвина. По ней за 0 принимается температура, при которой прекращается

тепловое движение молекул. 0оС=273 К.

Уравнение Клапейрона- Менделеева (уравнение состояния идеального газа)

Это уравнение, связывающее макропараметры между собой.

P=nkT=kTN/V

PV/T=kmNA/M=kNAm/M

Универсальная газовая постоянная.

kNA- универсальная газовая постоянная R. R=8,31 Дж/Кмоль.

PV/T=Rm/M=R(

R численно равна работе против внешних сил, которую совершает при изобарном

расширении 1 моль идеального газа при нагревании на 1 К.

Изотермический, изохорический, изобарный процессы.

Еще до создания МКТ идеального газа его свойства изучались:

изотермический закон (Бойля- Мариотта): Т=const ( PV=const

изохорический закон (Шарля): V=const ( P/Т=const

изобарический закон (Гей Люссака): P=const ( V/Т=const

2.2.Элементы термодинамики.

Термодинамическая система.

Термодинамическая система- система, в которой тела могут обмениваться

энергией между собой и с окружающей средой. Термодинамической может быть

любая система, состоящая из большого числа составляющих. Она может быть

физически (одинаковы состав и физические свойства) и химически (состоит из

одного химического вещества) однородной.

Внутренняя энергия системы.

Это сумма кинетических энергий хаотического движения молекул и

потенциальная энергия их взаимодействий. Ее можно изменить совершением

работы (над телом или телом) или теплопередачей (теплопроводность,

конвекция, излучение).

Теплопроводность- процесс передачи внутренней энергии от одних частей тела

к другим.

Конвекция- теплообмен, который происходит при перемещении неравномерно

нагретых жидкостей или газов под действием силы тяжести.

Излучение- теплопередача, определяемая только наличием температуры тела.

EK=kT(/2; (- число степеней свободы. U=(RT(/2

Количество теплоты и работа как мера изменения внутренней энергии.

Количество теплоты- энергия, переданная в процессе теплопередачи.

Количество теплоты- это мера изменения энергии и имеет смысл только при

процессах обмена энергии. Q=(U- изменение внутренней энергии. Работа:

A=F(h=PS(h=P(V.

Теплоемкость тела.

Q=cm(T, C=QM/m(T; С=(Q/(t.

с (удельная теплоемкость вещества)- количество теплоты, которое получает

или отдает 1 кг вещества при изменении его температуры на 1(С.

С (молярная теплоемкость)- количество теплоты, которое получает или отдает

1 моль вещества при изменении его температуры на 1(С.

Понятие об адиабатическом процессе.

Адиабатический процесс- процесс, в ходе которого система не получает и не

отдает энергию в процессе теплообмена. Q=0 ( -(U=A

Адиабатный процесс может проходить с совершением работы против внешних сил

и без нее. Q=0; A=-(U=-cVm(T=-CV(T=-CV(T2-T1)=-CV(P2V2-P1V1)/R=-CV(P2V2-

P1V1)/(CP-CV)=-CV(P2V2-P1V1)/CV((-1)=-(P2V2-P1V1)/((-1).

Уравнение Пуассона: PV( = const.

Первый закон термодинамики.

Первый закон термодинамики- закон сохранения энергии в тепловых процессах:

теплота, переданная системе, идет на увеличение внутренней энергии и на

совершение работы.

Применение первого закона термодинамики к изопроцессам.

Количество теплоты, сообщенное системе извне, расходуется на изменение ее

внутренней энергии и на работу, совершаемую системой против внешних сил.

Q=(U+Aвнешних сил

Следствия:

A=0 ( Q=(U (Q=(cm(t, Q=((m, Q=(Lm)

Q=0 ( A=-(U

(U=0 ( Q=A

Термодинамические процессы:

T=const ( (U=0 ( QT=A

V=const ( (V=0, A=0 ( QV=(U

3)P=const ( QP=(U+A=(U+P(V=QV+P(V.

Расчет работы газа с помощью PV-диаграмм.

A=(P((V(. Если объем увеличивается, то работа взята со знаком +, если

уменьшается, то -. При изобарическом процессе A=P(V2-V1).

Теплоемкость одноатомного идеального газа при изохорном и изобарном

процессах.

C=(Q/(t=(U/(t+(A/(t; (t=(T. V=const: CV=(U/(T=3mR/2(. P=const:

CP=(U/(T+P(V/(T=3mR/2(+mR/(=5mR/2(.

Необратимость процессов в природе.

Первое начало термодинамики не налагает никаких ограничений на возможность

перераспределения энергии внутри изолированной системы. То есть можно

утверждать, что менее нагретое тело может отдавать свою энергию более

нагретому. Направление процессов определяется вторым началом термодинамики.

Существует функция, называемая энтропией (), которая обладает тем

свойством, что при всех реально протекающих процессах она возрастает.

(S=(Q/T, где (Q- тепло, получаемое или отдаваемое телом, T- температура

тела.

Второй закон термодинамики.

Невозможно провести теплоту от холодного тела к горячему, не совершая

работы.

Физические основы работы тепловых двигателей.

Тепловой двигатель- устройство, преобразующее теплоту в механическую

энергию. Физические принципы, лежащие в основе устройства тепловых машин,

являются следствием второго закона термодинамики. Рабочее топливо (газ)

может расширяться только до тех пор, пока его давление больше атмосферного.

Его расширение заканчивается, когда давление уравновешивается (рано или

поздно это произойдет). Чтобы заставить газ снова работать, надо вернуть

его в первоначальное состояние. Это можно сделать, совершив работу над

газом, ( работа любого теплового двигателя должна состоять из периодически

повторяющихся циклов расширения и сжатия.

КПД теплового двигателя и его максимальное значение.

Если работа сжатия равна работе расширения, то за цикл полезной работы нет.

Чтобы иметь выгоду, надо, чтобы работа сжатия была меньше, чем работа

расширения. Для этого нужно, чтобы каждому значению объема соответствовало

меньшее давление, чем этому же объему при расширении. Для того чтобы газ

остыл, надо привести его в контакт с телом, имеющим более низкую

температуру. Это тело получило название холодильник. Но прямой контакт

недопустим (т. к. холодильник отберет очень много внутренней энергии). (

Нужно провести адиабатный процесс расширения газа. (=A/Q, A- совершенная

работа, Q- затраченное тепло. Максимальное значение: (=(Т1-Т2)/Т1.

2.3.Изменение агрегатного состояния вещества.

Парообразование.

Парообразование- процесс перехода вещества из жидкого состояния в

газообразное. Существует два типа: спокойное парообразование, происходящее

при любых температурах с открытой поверхности жидкости, и бурное

парообразование, происходящее одновременно как с открытой поверхности, так

и внутри жидкости. Процесс парообразование первого типа называют

испарением, процесс парообразования второго типа- кипением.

Испарение, кипение.

Испарение- парообразование, происходящее с поверхности жидкости. Скорость

испарения зависит от рода жидкости. Испарение происходит при любой

температуре и возрастает с ее повышением. Испарение происходит с

поверхности жидкости и увеличивается при увеличении этой поверхности. При

ветре испарение происходит быстрее. Испарение увеличивается при уменьшении

давления. Твердые тела тоже могут испаряться. Внутренняя энергия

испаряющейся жидкости уменьшается. Если нет притока энергии извне, то

испаряющаяся жидкость охлаждается. Кипение- это интенсивный переход

жидкости в пар вследствие образования и роста пузырьков пара, которые при

определенной температуре для каждой жидкости всплывают на ее поверхность и

лопаются. Температура кипения- это температура, при которой жидкость

Страницы: 1, 2, 3, 4