Физика (лучшее)

Билет № 1

1. Всё что существует в природе называется материей. Любое измене­ние материи, любой процесс, происходящий в природе, называют движе­нием материи. Простейшей формой движения материи является механи­ческое движение. Механическим движением называется изменение вза­имного расположения тел или частей одного и того же тела в простран­стве с течением времени. Раздел физики, рассматривающий механическое движение, называют механикой. Основные законы механики в значитель­ной мере были выяснены Галилеем и сформулированы Ньютоном. Меха­ника Галилея-Ньютона называется классической. Она изучает законы движения макроскопических тел, движущихся со скоростями много меньшими скорости света. Движение тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света, рассматривает релятивистская механика. Изучением микромира занимается квантовая механика. Классическая механика под­разделяется на кинематику, динамику и статику. Кинематика изучает за­коны движения тел, не вникая в причины, обусловливающие это движе­ние. Динамика рассматривает механическое движение с учётом причин, вызывающих его. Статика исследует условия равновесия тел.

Относительность движения – это перемещение и скорость тела относительно разных систем отсчета различны (например, человек и поезд). Скорость тела относительно неподвижной системы координат равна геометрической сумме скоростей тела относительно подвижной системы и скорости подвижной системы координат относительно неподвижной. (V₁ – скорость человека в поезде, V₀- скорость поезда, то V=V₁+V₀).

Система отсчёта. Механическое движение, как это следует из его определения, является относительным. Поэтому о движении тел можно говоритъ лишь в том случае, когда указана система отсчёта. Система от­счёта включает в себя: 1) Тело отсчёта, т.е. тело, которое принимается за неподвижное и относительно которого рассматривается движение других тел. С телом отсчёта связывают систему координат. Чаще всего использу­ют декартовую (прямоугольную) систему координат 2) Прибор для измерения времени.

Траектории движения. Воображаемая линия, по которой движет­ся материальная точка, называется траекторией. В общем случае траек­тория - сложная трёхмерная кривая. В частности, она может быть и пря­мой линией. Тогда для описания движения необходима только одна коор­динатная ось, направленная вдоль траектории движения. Следует иметь ввиду, что форма траектории зависит от выбора системы отсчёта, т.е. фор­ма траектории понятие относительное. Так, траектория концов про­пеллера относительно системы отсчёта, связанной с летящим самолётом, является окружностью, а в системе отсчета, связанной с Землёй, — винто­вой линией.

Перемещением называется вектор, проведённый из начального положения материальной точки в конечное. Длину участка, пройденного материальной точкой по траектории, называют путём или длиной пути. Нельзя путать эти по­нятия, так как перемещение — вектор, а путь — скаляр.

Скорости бывают: мгновенные и средние. Мгновенная скорость – это скорость в данный момент времени в данной точке траектории. Мгновенная скорость направлена по касательной. (V=DS/Dt DtÞ0). /Средняя скорость – скорость, определяемая отношением перемещения при неравномерном движении к промежутку времени, за которое это перемещение произошло./

 Ускорение. Скорость материальной точки может изменяться со вре­менем. Быстроту такого изменения характеризуют ускорением. Пусть в течение малого промежутка времени At быстрота изменения скорости практически неизменна, а изменение скорости равно DV. Тогда ускорение находим по формуле: a=DV/Dt

Таким образом, ускорение — это изменение скорости, отнесённое к еди­нице времени, т.е. изменение скорости за единицу времени при условии его постоянства за это время. В системе единиц СИ ускорение измеряется в м/с².

Движение, при котором скорость тела неизменна по модулю и на­правлению, называется прямолинейным равномерным движением, Со­гласно (1.1), скорость такого движения находится по формуле V=S/t.

Если ускорение a направлено в ту же сторону, что и начальная скорость, то скорость будет увеличиваться и движение называют равноускоренным.

Билет № 2

В повседневной жизни нам постоянно приходится сталкиваться с различными взаимодействиями. Например, с притяжением тел к Земле, отталкиванием и притяжением магнитов и токов, текущих по проводам, отклонением электронных пучков в электронно-лучевых трубках при дей­ствии на них электрических и магнитных полей и т.д. для характеристики взаимодействия тел и вводится понятие силы. В механике сила, дейст­вующая на тело, является мерой его взаимодействия с окружающими те­лами, действие силы проявляется в деформации тела или в приобретении им ускорения. Сила — это вектор. Поэтому она характеризуется модулем, направлением и точкой приложения.

Несмотря на удивительное разнообразие сил, встречающихся в приро­де, все их можно свести к четырём видам фундаментальных сил: гравита­ционные, электромагнитные, ядерные и слабые. Гравитационные силы возникают между любыми телами. Их действие надо учитывать лишь в мире больших тел. Электромагнитные силы действуют на заряды как не­подвижные, так и движущиеся. Поскольку вещество построено из атомов, которые, в свою очередь, состоят из электрически заряженных частиц электронов и протонов, то большинство сил, с которыми мы встречаемся в жизни, это электромагнитные силы. Ими являются, например, силы упру­гости, возникающие при деформации тел, силы трения. Ядерные и слабые силы проявляют себя на расстояниях, не превышающих 10-14 м. Поэтому эти силы заметны лишь в микромире. Необходимо отметить, что вся клас­сическая физика, а вместе с ней и понятие силы, не применимы к элемен­тарным частицам. Характеризовать точным образом взаимодействие этих частиц с помощью сил нельзя. Единственно возможным здесь становится энергетическое описание. Тем не менее, и в атомной физике часто говорят о силах. В этом случае термин сила становится синонимом слова взаимодействие.

Таким образом, в современной науке слово сила употребляется в двух смыслах: во-первых, в смысле механической силы, здесь она является точ­ной количественной мерой взаимодействия, и, во-вторых, обозначает на­личие взаимодействия определенного типа, точной количественной мерой которого может быть только энергия.

Билет № 3

Импульсом тела или количеством движения называют произведение массы тела на его скорость. P – векторная величина. Направление импульса тела совпадает с направлением скорости.

Совокупность тел взаимодействующих между собой и рассматриваемых как единое целое, называют механической системой. Силы, действующие в механической системе, подразделяются на две группы: внутренние силы, т.е. силы взаимодействия между телами, входящими в систему, и внешние силы, т.е. силы, действующие на тела системы со стороны тел, не принадлежащих ей. Если на механическую систему внешние силы не действуют или их равнодействующая сила равна нулю, то такую систему называют замкнутой (или изолированной).

Рассмотрим замкнутую механическую систему, состоящую только из двух тел. Пусть импульсы этих тел равны  и . В какой-т момент времени они сталкиваются. В результате импульс первого тела становится равным , а второго . Во время удара на первое тело действует сила , а на второе - , которые, согласно третьему закону Ньютона, равны по модулю и противоположны по направлению, т.е. . Под действием этих сил изменяются импульсы взаимодействующих тел. Используя второй закон Ньютона, запишем: где t – время, в течение которого действуют силы, равное времени соударения тел. Но , поскольку, согласно третьему закону Ньютона . С учетом этого получаем . Отсюда, . Левая часть этого равенства представляет собой импульс механической системы после взаимодействия (после столкновения тел), а правая – до взаимодействия. Поэтому можно сделать вывод, что импульс замкнутой механической системы, состоящей из двух тел не меняется. Это справедливо и для механической системы. Состоящей из любого числа тел. Итак, импульс замкнутой механической системы постоянен при любых взаимодействиях тел, принадлежащих этой системе, т.е.  - закон сохранения импульса

Можно назвать много явлений, в основе которых лежит закон сохра­нения импульса — отдача орудий и огнестрельного оружия при выстреле, действие реактивных двигателей и т.д. В механике закон сохранения импульса является следствием законов Ньютона, являющихся основными за­конами динамики. Однако этот закон универсален и имеет место и в мик­ромире, где законы ньютона неприменимы.

Билет № 4

Эти силы получили название гравитационных сил. Ньютон установил закон, называемый законом всемирного тяготения: силы, с которыми притягиваются две материальные точки, прямо пропорциональны произведению их масс, обратно пропорциональны квадрату расстояния между ними и направлены вдоль прямой, соединяющей их.

где М и m — массы тел, r — расстояние между телами, g — гравитацион­ная постоянная. Эта формула применима и для вычисления силы притяжения двух однородных шаров. Однако расстояние в этом случае берется между центрами шаров.

Выясним физический смысл гравитационной постоянной. Из формулы следует, что при m=M=1 кг и r=1м, g = F, т.e. гравитационная постоянная равна модулю силы притяжения материальных точек единичной массы находящихся на единичном расстоянии друг от друга. Впервые опытное доказательство закона всемирного тяготения проведено Кавен­дишем. Он сумел определить величину гравитационной постоянной. По современным данным g = 6,67*10^-11Н*м²/кг² . Очень малая величина g указывает на то, что сила гравитационного взаимодействия значительна только в случае тел с большими массами.

Сила, с которой тело притягивается к Земле, называется силой тяжести. Сила тяжести приложена к центру тяжести Весом тела называют силу, с которой тело давит на опору или растягивает подвес. Вес тела приложен к опоре или подвесу. Он равен по модулю силе реакции опоры (подвеса).

Пусть тело массой m находится в лифте, поднимающимся вертикально вверх с постоянным ускорением а а). Найдём вес, которым будет об­ладать тело. На тело действуют сила тяжести mg и сила реакции опоры N. Тогда, согласно второму закону Ньютона, запишем . Пере­пишем его в скалярном виде в проекции на координатную ось y: . Отсюда, , т.е. модуль веса тела, равный модулю силы реакции опоры, больше модуля силы тяжести. Такое состояние называется перегрузкой. Предположим теперь, что лифт опускается с ускорением a. б) В этом случае второй закон Ньютона в скалярной форме имеет вид и . Таким образом, вес тела меньше силы тяжести. Если a=g, то как следует из последней формулы, N=0, т.е. и вес тела равен нулю. Такое состояние называют невесомостью. Из рассмотренного примера следует, что невесомость возникает в случае, когда тело движется только под действием силы тяжести, т.е. под действием гравитационной силы. Из этого вытекает вывод, невесомость наблюдается при движении тела только под действием гравитационных сил.

Билет № 5

Колебаниями называются процессы, характеризуемые определённой повторяемостью со временем. Процесс распространения колебаний в пространстве называют волной. Можно без преувеличения сказать, что мы живём в мире колебаний и волн. Действительно, живой организм существует благодаря периодическому биению сердца, наши лёгкие колеблются при дыхании. Человек слышит и разговаривает вследствие колебаний его барабанных перепонок и голосовых связок. Световые волны (колебания электрических и магнитных полей) позволяют нам видеть. Современная техника также чрезвычайно широко использует колебательные процессы. Достаточно сказать, что многие двигатели связаны с колебаниями: перио­дическое движение поршней в двигателях внутреннего сгорания, движе­ние клапанов и т.д. Другими важными примерами являются переменный ток, электромагнитные колебания в колебательном контуре, радиоволны и т.д. Как видно из приведённых примеров, природа колебаний различна. Однако они сводятся к двум типам — механическим и электромагнитным колебаниям. Оказалось, что, несмотря на различие физической природы колебаний, они описываются одинаковыми математическими уравнения­ми. Это позволяет выделить в качестве одного из разделов физики учение о колебаниях и волнах, в котором осуществляется единый подход к изуче­нию колебаний различной физической природы.

Любая система, способная колебаться или в которой могут происходить колебания, называется колебательной. Колебания, происходящие в колебательной системе, выведенной из состояния равновесия и представленной самой себе, называют свободными колебаниями. Свободные колебания являются затухающими, так как энергия, сообщенная колебательной системе, постоянно убывает.

Гармонические колебания. Гармоническими называют колебания, при которых какая-либо физическая величина, описывающая процесс, из­меняется со временем по закону косинуса или синуса:

Выясним физический смысл постоянных A, w, a, входящих в это уравнение.

Константа А называется амплитудой колебания. Амплитуда – это наибольшее значение, которое может принимать колеблющаяся величи­на. Согласно определению, она всегда положительна. Выражение wt+a, стоящее под знаком косинуса, называют фазой колебания. Она позволяет рассчитать значение колеблющейся величины в любой момент времени. Постоянная величина a представляет собой значение фазы в момент вре­мени t =0 и поэтому называется начальной фазой колебания. Значение начальной фазы определяется выбором начала отсчёта времени. Величина w получила название циклической частоты, физический смысл которой связан с понятиями периода и частоты колебаний. Периодом незатухаю­щих колебаний называется наименьший промежуток времени, по истече­нии которого колеблющаяся величина принимает прежнее значение, или коротко - время одного полного колебания. Число колебаний, совершае­мых в единицу времени, называют частотой колебаний. Частота v связа­на с периодом Т колебаний соотношением v=1/T

Частота колебаний измеряется в герцах (Гц). 1 Гц частота периодиче­ского процесса, при котором за 1 с происходит одно колебание. Найдём связь между частотой и циклической частотой колебания. Используя формулу, находим значения колеблющейся величины в моменты времени t=t₁ и t=t₂=t₁+T, где Т — период колебания.

 

Согласно определению периода колебаний, Это возможно, ес­ли , поскольку косинус - периодическая функция с периодом 2p радиан. Отсюда . Получаем . Из этого соотношения следует физический смысл циклической частоты. Она показывает, сколько колебаний совершается за 2p секунд.

Свободные колебания колебательной системы являются затухающими. Однако на практике возникает потребность в создании незатухающих ко­лебаний, когда потери энергии в колебательной системе компенсируются за счёт внешних источников энергии. В этом случае в такой системе воз­никают вынужденные колебания. Вынужденными называют колебания, происходящие под действием периодически изменяющегося воздействия, асами воздействия — вынуждающими. Вынужденные колебания происхо­дят с частотой, равной частоте вынуждающих воздействий. Амплитуда вынужденных колебаний возрастает при приближении частоты вынуж­дающих воздействий к собственной частоте колебательной системы. Она достигает максимального значения при равенстве указанных частот. Явле­ние резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, когда час­тота вынуждающих воздействий равна собственной частоте колеба­тельной системы, называется резонансом.

Явление резонанса широко используется в технике. Оно может быть как полезным, так и вредным. Так, например, явление электрического ре­зонанса играет полезную роль при настройке радиоприемника на нужную радиостанцию изменяя величины индуктивности и ёмкости, можно до­биться того, что собственная частота колебательного контура совпадёт с частотой электромагнитных волн, излучаемых какой-либо радиостанцией. В результате этого в контуре возникнут резонансные колебания данной частоты, амплитуды же колебаний, создаваемых другими станциями, будут малы. Это приводит к настройке радиоприёмника на нужную станцию.

Билет № 6

При изучении механики были рассмотрены законы, управляющие движением тел. При этом совсем не интересуются строением этих тел и их свойствами, поскольку в механике важно лишь какова масса тела, каковы его размеры, форма и агрегатное состояние. Для изучения движения тел этого, как правило, достаточно. Однако совершенно очевидно, что окру­жающее нас тела отличаются друг от друга многими другими свойствами: тепловыми, электрическими, оптическими и т.д. Свойства же тел завися тот их строения, от связи молекул или атомов друг с другом и от многого другого. Поэтому, в первую очередь, важно знать строение вещества. Этот вопрос и является одним из основных в курсе, называемом молекулярная физика.

Молекулярная физика - это раздел физики, в котором рассматрива­ются свойства тел (газы, жидкости, твердые тела), состоящих из огромного числа молекул и атомов. практической деятельности человека жизненно необходимо знание тепловых свойств различных тел и систем, так как на таком знании основывается работа тепловых машин, без которых челове­чество существовать уже не может. Поэтому вопросы теплоты, энергии систем, превращения энергии в работу составляют основу молекулярной физики и термодинамики.

Молекулярно-кинетической теорией называют учение о строении и свойствах вещества, использующее представления о существования ато­мов и молекул как наименьших частиц вещества. Способность газов зани­мать весь предоставленный ему объем, упругость газов, жидкостей и твёр­дых тел, теплопроводность, диффузии и т.д. объясняются, если принять следующие положения молекулярно-кинетической теории строения веще­ства:

1.Все тела состоят из молекул, атомов или ионов.

2.Молекулы (атомы), из которых состоят тела, находятся в непрерыв­ном хаотическом движении, называемом тепловым. Интенсивность этого движения возрастает с повышением температуры.

3.Молекулы (атомы) взаимодействуют между собой.

Покажем на примере диффузии справедливость указанных положений. Диффузией называют явление взаимного проникновения молекул одного тела между молекулами другого. Очевидно, что диффузии может происхо­дить лишь при наличии движущихся молекул. Скорости теплового движе­ния молекул велики (в газах несколько сотен метров в секунду). Поэтому процесс диффузии должен бы быть практически мгновенным. Однако в действительности скорость диффузии конечна. Это указывает на то, что молекулы сталкиваются друг с другом, т.е. взаимодействуют между собой. С повышением температуры диффузия происходит быстрее. Это свиде­тельствует о возрастании скорости теплового движения молекул.

Другим подтверждением правильности положений молекулярно-­кинетической теории является броуновское движение, названное в честь учёного Броуна, впервые наблюдавшего его. Если в жидкость поместить мельчайшие частички вещества и следить за их поведением в микроскоп, то можно заметить, что частицы движутся беспорядочно. Это объясняется следующим образом. Вследствие хаотичного движения молекул может оказаться, что число ударов молекул о частицу с одной стороны больше, чем с противоположной. В результате этого на неё будет действовать сила, под действием которой она движется. Так как движение молекул хаотиче­ское, то направление силы непрерывно меняется, а следовательно, изменя­ется и направление движения частицы.

Массы и размеры молекул очень малы. (D»10^-8 см »10^-10м).

Любое вещесво состоит из частиц, поэтому количество вещества принято считать пропорциональным числу частиц. Количество вещества равно отношению числа молекул в данном теле к постоянной Авогадро. (). Относительная молекулярная масса – это величина, равная отношению массы молекул данного вещества к 1/12 массы атома углерода С¹² .

 Моль – это такое число частиц, равное числу атомов в 12 г углерода. Это число и есть число Авогадро. (N_A = 6*10²³ моль^-1).

Молярная масса – это количество вещества, взятая в количестве 1 моля.

 

g - количество вещества или число молей.

[g]= моль [m]= кг/моль

Билет № 7