билет физик


Модели в механике. Система отсчета. Траектория. Длина пути. Вектор перемещения.

Модели в механике:

материальная точка — тело, обладающее массой, размерами которого в данной задаче можно пренебречь

Абсолютно твердое тело называется тело, которое ни при каких условиях не может деформироваться и при всех условиях расстояние между двумя точками этого тела остается постоянным.

Система отсчёта — это совокупность тела отсчета, связанной с ним системы координат и системы отсчёта времени, по отношению к которым рассматривается движение (или равновесие) каких-либо материальных точек или тел

Траектория — непрерывная линия, вдоль которой движется материальная точка в заданной системе отсчета. В зависимости от формы траектории различают прямолинейное и криволинейное движение материальной точки.

ДЛИНА ПУТИ — точки — длина дуги участка траектории, пройденного точкой за рассматриваемый промежуток времени.

Вектор перемещения — это направленный отрезок, проведенный из начального положения материальной точки в ее конечное положение. Перемещением характеризуется изменение радиус-вектора точки.

Скорость. Ускорение и его составляющие.

Скорость это -векторная физическая величина, характеризующая быстроту перемещения и направление движения материальной точки в пространстве относительно выбранной системы отсчёта.

Ускорение - быстрота изменения скорости

Полное ускорение тела есть геометрическая сумма тангенциальной и нормальной составляющих

Мгновенным ускорением а (ускорением) материальной точки в момент времени t будет предел среднего ускорения:

Тангенциальная составляющая ускорения

т. е. равна первой производной по времени от модуля скорости, определяя тем самым быстроту изменения скорости по модулю.

3. Прямолинейное равнопеременное движение.

Равнопеременное движение — это движение, при котором скорость точки (тела) за любые равные промежутки времени изменяется на одну и ту же величину. Если это движение происходит по прямой, то это прямолинейное равнопеременное движение.

Изменение скорости в единицу времени называется ускорением. Обычно оно обозначается

латинской буквой «a«.

где дельта-v — изменение скорости, произошедшее за время дельта-t.

Прямолинейное движение — механическое движение, при котором вектор перемещения ∆r не меняется по направлению, его модуль равен длине пути, пройденного телом

4. Угловая скорость и угловое ускорение.

Углова́я ско́рость — физическая величина, являющаяся псевдовектором (аксиальным вектором) и характеризующая скорость вращения материальной точки вокруг центра вращения. Вектор угловой скорости по величине равен углу поворота точки вокруг центра вращения в единицу времени:

Углово́е ускоре́ние — псевдовекторная физическая величина, характеризующая быстроту изменения угловой скорости материальной точки.При вращении точки вокруг неподвижной оси, угловое ускорение по модулю равно[1]:

5. Связь линейных и угловых характеристик.

Связь между линейными и угловыми характеристиками при вращательном движении.

Связь между линейной и угловой скоростями , между линейным и угловым ускорениями вращающейся точки твердого тела .

При разложении вращательного движения на нормальное и касательное направления ускорения имеют вид:

.

6.Первый закон Ньютона. ИСО. Третий закон Ньютона

Первый закон Ньютона: всякое тело пребывает в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока действующие на него силы не изменят это состояние.

ИСО-Существуют такие системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых материальные точки, когда на них не действуют никакие силы (или действуют силы взаимно уравновешенные), находятся в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения.

Третий закон Ньютона — физический закон, в соответствии с которым: Силы взаимодействия двух материальных точек в инерциальной системе отсчета: — равны по модулю; — противоположны по направлению; и — действуют вдоль прямой, соединяющей точки.

7. Масса. Сила. Второй закон Ньютона.

Ма́сса — скалярная физическая величина,характерезующие вес тела

Си́ла — векторная физическая величина, являющаяся мерой интенсивности воздействия на данное тело других тел, а также полей.Второй закон Ньютона

В инерциальной системе отсчёта ускорение, которое получает материальная точка с постоянной массой, прямо пропорционально равнодействующей всех приложенных к ней сил и обратно пропорционально её массе.

При подходящем выборе единиц измерения, этот закон можно записать в виде формулы:

8. Силы в механике

Сила тяготения

Сила упругости

Сила трения

9. Энергия. Работа. Мощность.

В физике «механической работой» называют работу какой-нибудь силы ( силы тяжести, упругости, трения и т. д. ) над телом, в результате действия которой тело перемещается. Часто слово «механическая» просто не пишется. Иногда можно встретить выражение » тело совершило работу», что в принципе означает «сила, действующая на тело, совершила работу». ЭНЕРГИЯ — общая количественная мера различных форм движения материи. В физике различным физическим процессам соответствует тот или иной вид энергии: механическая, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная и т. д. Вследствие существования закона сохранения энергии понятие энергии связывает воедино все явления природы. Мо́щность — физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.

10. Кинетическая, потенциальная энергия

Кинетическая энергия

Если тело движется, то оно обладает кинетической энергией, которая определяется по формуле

Потенциальная энергия

Энергия — скалярная величина. Можно назвать эту величину абстрактной. Просто тот факт, что тело подняли на некоторую высоту, означает, что тело обладает потенциальной энергией, которая определяется по формуле

11. Законы сохранения импульса и энергии.

для замкнутой системы материальных тел выполняются закон сохранения механической энергии – при любых процессах, происходящих в системе тел, её полная механическая энергия остается постоянной:

Если система незамкнутая, то изменение полной механической энергии (её уменьшение) равно работе внешних сил (например, работе против сил сопротивления):

Законы сохранения импульса – геометрическая сумма импульсов тел, составляющих замкнутую систему, остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой:

,где – импульс тела.

Импульс (количество движения) – мера механического движения. Применение такой меры допустимо, если передача механического движения от одного тела к другому, происходит без превращения в другие формы движения материи.

12.Удар абсолютно упругих и неупругих тел.

Абсолютно упругий удар — соударение двух тел, в результате которого в обоих участвующих в столкновении телах не остается никаких деформаций и вся кинетическая энергия тел до удара после удара снова превращается в первоначальную кинетическую энергию (отметим, что это идеализированный случай).

Абсолютно неупругий удар — соударение двух тел, в результате которого тела соединяются, двигаясь дальше как единое целое. Абсолютно неупругий удар можно продемонстрировать с помощью шаров из пластилина (глины), которые движутся навстречу друг другу

13. Момент инерции. Кинетическая энергия вращения

Момент инерции — скалярная (в общем случае — тензорная) физическая величина, мера инертности во вращательном движении вокруг оси, подобно тому, как масса тела является мерой его инертности в поступательном движении ,

Кинетическая энергия вращательного движения — энергия тела, связанная с его вращением.

Основные кинематические характеристики вращательного движения тела — его угловая скорость () и угловое ускорение. Основные динамические характеристики вращательного движения — момент импульса относительно оси вращения z1: и кинетическая энергия

где Iz — момент инерции тела относительно оси вращения.

14. Момент силы. Уравнение динамики вращательного движения.

Момент силы -векторная физическая величина, равная векторному произведению радиус-вектора (проведённого от оси вращения к точке приложения силы — по определению), на вектор этой силы. Характеризует вращательное действие силы на твёрдое тело.

где  — сила, действующая на частицу, а  — радиус-вектор частицы.

 основным законом динамики вращательного движения тела, закрепленного в одной неподвижной точке. Момент импульса является основной динамической характеристикой твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной точки.

15. Момент импульса. Закон его сохранения.

Моме́нт и́мпульса (кинетический момент, угловой момент, орбитальный момент, момент количества движения) характеризует количество вращательного движения. Величина, зависящая от того, сколько массы вращается, как она распределена относительно оси вращения и с какой скоростью происходит вращение.

Для нескольких частиц момент импульса определяется как (векторная) сумма таких членов:

где  — радиус-вектор и импульс каждой частицы, входящей в систему, момент импульса которой определяется.

(В пределе количество частиц может быть бесконечным, например, в случае твердого тела с непрерывно распределенной массой или вообще распределенной системы это может быть записано как где  — импульс бесконечно малого точечного элемента системы).

зако́н сохране́ния моме́нта и́мпульса (закон сохранения углового момента) — один из фундаментальных законов сохранения. Математически выражается через векторную сумму всех моментов импульса относительно выбранной оси для замкнутой системы тел и остается постоянной, пока на систему не воздействуют внешние силы. В соответствии с этим момент импульса замкнутой системы в любой системе координат не изменяется со временем.

Закон сохранения момента импульса есть проявление изотропности пространства относительно поворота.

В упрощённом виде: , если система находится в равновесии.

(если результирующий момент внешних сил относительно неподвижной точки тождественно равен нулю, то момент импульса тела относительно этой точки с течением времени не изменяется.Действительно, если M = 0, то dL / dt = 0 , откуда)

16. Элементы СТО. Следствия из преобразований Максвелла.

Специальная теория относительности (СТО; также частная теория относительности) — теория, описывающая движение, законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, меньших скорости света в вакууме, в том числе близких к скорости света. В рамках специальной теории относительности классическая механика Ньютона является приближением низких скоростей. Обобщение СТО для гравитационных полей называется общей теорией относительности.

17. Понятие термодинамической системы. Термодинамические параметры.

Термодинамической системой называется совокупность материальных тел, взаимодействующих, как между собой, так и с окружающей средой. Все тела находящиеся за пределами границ рассматриваемой системы называются окружающей средой.



Если термодинамическая система была подвержена внешнему воздействию, то в конечном итоге она перейдет в другое равновесное состояние. Такой переход называется термодинамическим процессом.

Параметры состояния, термодинамические параметры — физические величины, характеризующие состояние термодинамической системы: температура, давление, удельный объём, намагниченность, электрическая поляризация и др. Различают экстенсивные параметры состояния, пропорциональные массе системы:

концентрация,

внутренняя энергия,

Оббьем

Давление

Температура

18. Физическая модель «идеальный газ». Уравнение состояния идеального газа.

Идеальный газ — математическая модель газа, в которой предполагается, что: 1) потенциальной энергией взаимодействия молекул можно пренебречь по сравнению с их кинетической энергией; 2) суммарный объём молекул газа пренебрежимо мал; 3) между молекулами не действуют силы притяжения или отталкивания, соударения частиц между собой и со стенками сосуда абсолютно упруги; 4) время взаимодействия между молекулами пренебрежимо мало по сравнению со средним временем между столкновениями

pV = nRT *

Она содержит основные характеристики поведения газов: p, V и T — соответственно давление, объем и абсолютная температура газа (в градусах Кельвина), R — универсальная газовая постоянная

19. Основное уравнение М.К.Т. идеальных газов.

Молекулярно-кинетическая теория (сокращённо МКТ) — теория, возникшая в XIX веке и рассматривающая строение вещества, в основном газов, с точки зрения трёх основных приближенно верных положений:

все тела состоят из частиц: атомов, молекул и ионов;

частицы находятся в непрерывном хаотическом движении (тепловом);

частицы взаимодействуют друг с другом путём абсолютно упругих столкновений.

20. Распределение Максвелла молекул идеального газа по скоростям. Среднее число столкновений, средняя длина свободного пробега молекулы.

21. Число степеней свободы молекулы. Внутренняя энергия идеального газа.

Внутренняя энергия — определенная функция термодинамического состояния системы, т. е. в любом состоянии система обладает вполне определенной внутренней энергией (она не зависит от того, каким образом система пришла в данное состояние). Это значит, что при переходе системы из одного состояния в другое изменение внутренней энергии задается только разностью значений внутренней энергии данных состояний и не зависит от пути и способа перехода. В механике введилось понятие числа степеней свободы: это число независимых переменных (координат), которые полностью определяют положение системы в пространстве. В некоторых задачах молекулу одноатомного газа (рис. 1, а) рассматривают как материальную точку, которой задают три степени свободы поступательного движения. При этом не учитывается энергия вращательного движения.

(1) Внутренняя энергия для произвольной массы m газа. где М — молярная масса, ν — количество вещества.

Число степеней свободы: наименьшее число независимых координат, определяющих  положение и конфигурацию молекулы в пространстве.

Число степеней свободы для одноатомной молекулы -3 (поступательное движение в направлении трех координатных осей),

для двухатомной — 5 ( три поступательных и две вращательных, т.к. вращение вокруг оси Х возможно только при очень высоких температурах),  для трехатомной -6 ( три поступательных и три вращательных).

22. Распределение Больцмана энергии по степеням свободы молекулы.

В статистической физике выводится закон Больцмана о равномерном распределении энергии по степеням свободы молекул: для статистической системы, которая находится в состоянии термодинамического равновесия, на каждую поступательную и вращательную степени свободы приходится в среднем кинетическая энергия, равная kT/2, а на каждую колебательную степень свободы — в среднем энергия, равная kT. Колебательная степень обладает вдвое большей энергией, т.к. на нее приходится как кинетическая энергия (как в случае поступательного и вращательного движений), так и потенциальная, причем средние значения потенциальной и кинетической и энергии одинаковы. Значит, средняя энергия молекулы где i — сумма числа поступательных, числа вращательных в удвоенного числа колеба¬тельных степеней свободы молекулы: i=iпост+iвращ+2iколеб В классической теории рассматривают молекулы с жесткой связью между атомами; для них i совпадает с числом степеней свободы молекулы.

23. Первое начало термодинамики.

Первое начало термодинамики — один из трёх основных законов термодинамики, представляет собой закон сохранения энергии для термодинамических систем.

Согласно первому началу термодинамики, термодинамическая система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии.

Первое начало термодинамики:

при изобарном процессе при изохорном процессе ()

при изотермическом процессе

24. Удельная теплоемкость. Молярная теплоемкость.

Удельная теплоемкость вещества — величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг вещества на 1 К:

Единила удельной теплоемкости — джоуль на килограмм-кельвин (Дж/(кг•К)). Молярная теплоемкость—величина, равная количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 моль вещества на 1 К: (1) где ν=m/М—количество вещества. Единица молярной теплоемкости — джоуль на моль•кельвин (Дж/(моль•К)). Удельная теплоемкость с связана с молярной теплоемкостью Сm, соотношением (2) где М — молярная масса вещества. Выделяют теплоемкости при постоянном объеме и постоянном давлении, если в процессе нагревания вещества его объем или давление поддерживается постоянным. Запишем выражение первого начала термодинамики для одного моль газа с учетом (1) и δA=pdV (3)

25. Изохорная и изобарная теплоемкости. Коэффициент Пуассона.

Изобарный процесс.

При изобарическом процессе, давление в газе остается неизменным (Δp = 0). Объем идеального газа при изобарном процессе пропорционален температуре

V/T=const.

Изобарный процесс можно описать уравнением:

V = VoαT,

где V – объем газа при абсолютной температуре Т; Vo — объем газа при температуре 0оС;

α — температурный коэффициент объемного расширения газа, равный 1/273 К-1 Работа, совершаемая газом при расширении или сжатии газа, равна A = PΔV. Количество теплоты, получаемое или отдаваемое газом, характеризуется изменением энтальпии: Q = ΔH = ΔU + PΔV. Молярная теплоёмкость при постоянном давлении обозначается как Cp. В идеальном газе она связана с теплоёмкостью при постоянном объёме соотношением Майера

Cp = Cv + R.

где

R — универсальная газовая постоянная — R=8.31 (Дж/(моль*К))

Изохора

Изохорный процесс происходит при постоянном объёме, при этом давление идеального газа прямо пропорционально его температуре

p/T=const.

Работу в этом процессе газ не совершает (т.к ΔV=0), соответственно Q= ΔU

Уравнение изохорного процесса (уравнение Шарля) может быть записано в виде:

p=Tp0/T0=p0αT

где

p0 – давление газа при T = T0 = 273 К

α — температурный коэффициент объемного расширения газа, равный 1/273 К-1

Коэффициент Пуассона (обозначается как или ) — абсолютная величина отношения поперечной и продольной относительной деформации образца материала. Этот коэффициент зависит не от размеров тела, а от природы материала, из которого изготовлен образец. Коэффициент Пуассона и модуль Юнга полностью характеризуют упругие свойства изотропного материала. Коэффициент Пуассона показывает, во сколько раз поперечная деформация деформируемого тела больше продольной деформации, при его растяжении или сжатии

26. Применение первого начала к изопроцессам.

Изохорный процесс (V=const). Диаграмма этого процесса (изохора) в координатах р, V изображается прямой

Изобарный процесс (p=const). Диаграмма этого процесса (изобара) в координатах р, V изображается прямой, которая параллельна оси V.

Изотермический процесс (T=const). Изотермический процесс описывается законом Бойля—Мариотта:

27. Обратимые и необратимые процессы. Круговой процесс.

Необратимым называется процесс, который нельзя провести в противоположном направлении через все те же самые промежуточные состояния. Все реальные процессы необратимы. Примеры необратимых процессов: диффузия, термодиффузия, теплопроводность, вязкое течение и др. Переход кинетической энергии макроскопического движения через трение в теплоту, то есть во внутреннюю энергию системы, является необратимым процессом.

Обратимый процесс (то есть равновесный) — термодинамический процесс, который может проходить как в прямом, так и в обратном направлении, проходя через одинаковые промежуточные состояния, причем система возвращается в исходное состояние без затрат энергии, и в окружающей среде не остается макроскопических изменений.

Обратимый процесс можно в любой момент заставить протекать в обратном направлении, изменив какую-либо независимую переменную на бесконечно малую величину.

Круговой процесс — процесс, при котором газ, пройдя через ряд состояний, возвращается в исходное.Если круговой процесс на диаграмме P-V протекает по часовой стрелке, то часть тепловой энергии, полученной от нагревателя, превращается в работу. Так работает тепловая машина.

Коэффициент полезного действия тепловой машины равен отношению работы  за цикл к полученной от нагревателя тепловой энергии :.Холодильный коэффициент холодильной машины равен отношению тепловой энергии , отобранной от холодильника за цикл, к затраченной работе :.

28. Второе начало термодинамики. Цикл Карно и его КПД.

Второе начало термодинамики — физический принцип, накладывающий ограничение на направление процессов передачи тепла между телами.

Второе начало термодинамики запрещает так называемые вечные двигатели второго рода, показывая, что коэффициент полезного действия не может равняться единице, поскольку для кругового процесса температура холодильника не может равняться абсолютному нулю (невозможно построить замкнутый цикл, проходящий через точку с нулевой температурой).

.

В термодинамике цикл Карно́ или процесс Карно — это обратимый круговой процесс, состоящий из двух адиабатических и двух изотермических процессов[1]. В процессе Карно термодинамическая система выполняет механическую работу и обменивается теплотой с двумя тепловыми резервуарами, имеющими постоянные, но различающиеся температуры

Таким образом, кпд цикла Карно всегда меньше единицы (100%) и зависит только от соотношения температур холодильника и нагревателя:.

29. Энтропия.

Понятие энтропии впервые было введено Клаузиусом в термодинамике в 1865 году для определения меры необратимого рассеивания энергии, меры отклонения реального процесса от идеального. Определённая как сумма приведённых теплот, она является функцией состояния и остаётся постоянной при замкнутых обратимых процессах, тогда как в необратимых — её изменение всегда положительно.

,

где  — приращение энтропии;  — минимальная теплота, подведённая к системе;  — абсолютная температура процесса.

30. Основные свойства несжимаемой жидкости. Основные законы гидродинамики.

Если жидкость несжимаема, то ее плотность не зависит от давления. Тогда при поперечном сечении S столба жидкости, его высоте h и плотности вес P=gSh, а давление на нижнее основание

Гидродинамика — раздел гидравлики, в котором изучаются законы движения жидкости и ее взаимодействие с неподвижными и подвижными поверхностями.




Предыдущий:

Следующий: