Физика(экзамен)

Предмет физики.

Физика — это наука о природе в самом общем смысле (часть природоведения). Она изучает вещество (материю) и энергию, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи.

Система единиц физических величин - совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами для заданной системы физических величин.

Механика - основной раздел физики; наука о механическом движении материальных тел и происходящих взаимодействиях между ними. В результате взаимодействия изменяются скорости тел или тела деформируются. Механика подразделяется на статику, кинематику и динамику.

Материальное тело, или физическое тело в физике — материальный объект, имеющий массу и отделенный от других тел границей раздела. Тело есть форма существования вещества.

Материальная точка - идеализированная модель физического тела, размерами, структурой и формой которого можно пренебречь при решении поставленной задачи. Материальная точка обладает только поступательными степенями свободы.

Стандартное определение материальной точки в механике — модель объекта, размерами которого при решении задачи можно пренебречь.

Равномерное прямолинейное движение - движение, при котором за любые равные промежутки времени материальная точка проходит одинаковые пути.

Равномерное движение материальной точки по окружности - движение материальной точки по окружности, при котором модуль ее скорости не меняется. При таком движении материальная точка обладает центростремительным ускорением.

Закон движения - математическая формулировка того, как движется тело или как происходит движение более общего вида.

В классической механике материальной точки закон движения представляет собой три зависимости трёх пространственных координат от времени, либо зависимость одной векторной величины (радиус-вектора) от времени, вида

Кинематика - раздел механики, изучающий геометрические свойства движения тел без учета их масс и действующих на них сил.

Кинематика исследует способы описания движений и связей между величинами, которые характеризуют эти движения.

Средняя скорость - физическая величина, модуль которой равен отношению перемещения ко времени, за которое это перемещение произошло. Направление средней скорости совпадает с направлением вектора перемещения.

Мгновенная скорость - предел средней скорости за бесконечно малый промежуток времени. Мгновенная скорость направлена по касательной к траектории движения в данной точке траектории.

Среднее ускорение - физическая величина, численно равная отношению изменения скорости к промежутку времени, за который это изменение произошло. Вектор среднего ускорения совпадает с направлением вектора изменения скорости.

Мгновенное ускорение - предел, к которому стремится среднее ускорение за бесконечно малый промежуток времени.

Угловая скорость - векторная величина:

- характеризующая вращательное движение твердого тела; и

- направленная по оси вращения согласно правилу правого винта.

Угловая скорость численно равна отношению угла поворота к соответствующему промежутку времени. Единицей угловой скорости в СИ является рад/с.

Ускорение - векторная величина, характеризующая изменение скорости.

При прямолинейном движении ускорение измеряется отношением скорости к соответствующему промежутку времени.

При криволинейном движении ускорение складывается из касательного и нормального ускорения.

Динамика - раздел механики, изучающий влияние взаимодействий между телами на их механическое движение.

Законы Ньютона:

Первый закон Ньютона - физический закон, в соответствии с которым:

Материальная точка сохраняет состояние покоя или равномерного движения до тех пор, пока внешние воздействия не изменят этого состояния.

Второй закон Ньютона - физический закон, в соответствии с которым:

Ускорение, приобретаемое материальной точкой в инерциальной системе отсчета:

- прямо пропорционально действующей на точку (равнодействующей) силе;

- обратно пропорционально массе точки; и

- направлено в сторону действия силы.

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.

Принцип относительности классической механики - постулат Г.Галилея, согласно которому:

В любых инерциальных системах отсчета все механические явления протекают одинаково при одних и тех же условиях.

Импульс - произведение массы (точечного) тела на скорость в конкретной системе отсчета.

Импульс механической системы равен векторной сумме импульсов всех частей системы.

В системе СИ единицей импульса является килограмм-метр в секунду.

Закон сохранения импульса - закон механики, в соответствии с которым:

Векторная сумма импульсов тел в замкнутой системе остается постоянной при любых взаимодействиях этих тел между собой и может только перераспределяться между частями системы.

Изменение импульса системы материальных точек — в инерциальной системе отсчета скорость изменения импульса механической системы равна векторной сумме внешних сил, действующих на материальные точки системы.

Закон всемирного тяготения - физический закон, в соответствии с которым:

Сила взаимного притяжения двух тел, которые могут быть приняты за материальные точки, прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Гравитационные силы - силы, возникающие при гравитации. Гравитационные силы определяются законом всемирного тяготения.

Сила тяжести - сила:

- действующая на любую материальную точку, находящуюся вблизи земной поверхности; и

- определяемая как геометрическая сумма силы тяготения Земли и центробежной силы инерции, учитывающей эффект суточного вращения Земли;

- направленная по вертикали в данной точке земной поверхности.

Вес тела - в физике - сила, с которой тело, находящееся в силовом (гравитационном) поле, действует на опору или на подвес.

Ускорение свободного падения - ускорение, сообщаемое свободной материальной точке силой тяжести.

Ускорение свободного падения зависит от географической широты места и его высоты над уровнем моря.

Стандартное значение ускорения свободного падения = 9.80665 м/сек-в-кв.

Деформация - изменение формы и объема тела под действием внешних сил. Деформация связана с изменением относительного положения частиц тела и, обычно, сопровождается изменением величин междуатомных сил, мерой которого является упругое напряжение.

Различают четыре основных вида деформаций: растяжение/сжатие, сдвиг, кручение и изгиб.

Упругая деформация - деформация, которая исчезают после прекращения действия внешних сил.

Сила упругости - сила, возникающая в деформируемом теле и направленная в сторону, противоположную смещению частиц при деформации.

Закон Гука: при достаточно малых деформациях сила упругости пропорциональна величине деформации тела и направлена в сторону, противоположную деформации.

Сила трения - сила:

- возникающая во всех видах трения;

- направленная вдоль поверхностей соприкасающихся тел;

- препятствующая относительному смещению этих тел.

При малых скоростях сила трения пропорциональна скорости тела.

При больших скоростях сила трения пропорциональна квадрату скорости тела.

Центробежная сила инерции - сила, с которой связь действует на материальную точку, равномерно движущуюся по окружности, в системе отсчета, связанной с этой точкой.

Центробежная сила инерции приложена к движущейся материальной точке и направлена по радиусу вращения от центра.

Ускорение Кориолиса - ускорение относительно поверхности Земли, испытываемое любым движущимся телом вследствие того, что вращающаяся Земля не является инерциальной системой координат.

Ускорение Кориолиса связано только с подвижной системой отсчета.

Ускорение Кориолиса в Северном полушарии направлено вправо по отношению к направлению движения, в Южном - влево, и равно нулю на экваторе, а максимальное значение имеет на полюсах; его величина не зависит от направления движения.

F = ma, где a — кориолисово ускорение.

Энергия - скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие.

Механическая работа (более развёрнуто: работа силы F за время Δt процесса γ(t)) — это физическая величина, являющаяся количественной характеристикой действия силы F на процесс γ(t). Если действующая сила F и вектор скорости v процесса γ за всё время наблюдения Δt постоянны, работа численно равна

Мощность — физическая величина, равная отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.

— cредняя мощность

— мгновенная мощность

Закон сохранения и превращения энергии - общий закон природы, согласно которому:

- Энергия любой замкнутой системы при всех процессах, происходящих в системе, остается постоянной.

- Энергия может только превращаться из одной формы в другую и перераспределяться между частями системы.

Для незамкнутой системы увеличение/уменьшение ее энергии равно убыли/возрастанию энергии взаимодействующих с ней тел и физических полей.

Кинетическая энергия - мера механического движения тел, зависящая от скоростей их движения в заданной инерциальной системе отсчета.

Кинетическая энергия является скалярной величиной, равной половине произведения массы тела на квадрат скорости его поступательного движения.

Кинетическая энергия системы материальных точек равна сумме кинетических энергий всех материальных точек, из которых состоит система.

Потенциальная энергия — часть механической энергии системы тел; работа, которую необходимо совершить против действующих сил, чтобы перенести тело из некой точки отсчёта в данную точку.

К примеру, потенциальная энергия тела вблизи поверхности Земли рассчитывается по формуле E = mgh, где m — масса тела, , h — высота, за ноль принимается поверхность Земли.

Абсолютно упругий удар — модель соударения, при которой полная кинетическая энергия системы сохраняется. В классической механике при этом пренебрегают деформациями тел. Соответственно, считается, что энергия на деформации не теряется, а взаимодействие распространяется по всему телу мгновенно.

Абсолютно неупругий удар — удар, в результате которого тела соединяются и продолжают дальнейшее своё движение как единое тело.

Как и при любом ударе, при этом выполняются закон сохранения импульса и закон сохранения момента импульса, но не выполняется закон сохранения механической энергии.

Момент импульса - мера механического движения тела или системы тел относительно какой-либо точки (центра) или оси.

Момент импульса равен векторному импульса тела на плечо этого импульса относительно оси.

Закон сохранения импульса утверждает, что сумма импульсов всех тел (или частиц) замкнутой системы есть величина постоянная.

Закон сохранения энергии — основной закон природы, заключающийся в том, что энергия замкнутой системы сохраняется во времени. Другими словами, энергия не может возникнуть из ничего и не может в никуда исчезнуть, она может только переходить из одной формы в другую.

Момент силы - произведение модуля силы на плечо этой силы относительно заданной оси. Момент силы характеризует вращательный эффект силы при действии ее на твердое тело.

Момент инерции - скалярная величина:

- характеризующая распределение масс в теле; и

- являющаяся мерой инертности тела при вращательном движении.

Момент инерции тела относительно заданной оси вращения равен сумме произведений элементарных масс всех малых частей (материальных точек) тела на квадраты их расстояний до рассматриваемой оси.

Закон сохранения момента импульса — векторная сумма всех моментов импульса относительно любой оси для замкнутой системы остается постоянной. В соответствии с этим, момент импульса замкнутой системы относительно любой неподвижной точки не изменяется со временем.

Закон сохранения момента импульса есть проявление изотропности пространства.

Физический маятник - абсолютно твердое тело с одной закрепленной точкой, неспособное вращаться и помещенное в поле тяжести.

Физический маятник способен совершать колебания около положения равновесия, при этом массу системы нельзя считать сосредоточенной в одной точке.

Математический маятник - механическая система, состоящая из материальной точки, подвешенной на невесомой нерастяжимой нити или на невесомом стержне в поле тяжести.

Период малых колебаний математического маятника не зависит от амплитуды.

Пружинный маятник - колебания массивного тела, обусловленные действием упругой силы.

Упругая волна - волна, образованная колебанием частиц среды.

В жидкостях и газах образовываются только продольные упругие волны, при которых среда испытывает только деформацию сжатия/растяжения, и частицы среды колеблются вдоль направления распространения волны.

В твердых телах возникают продольные и поперечные ударные волны.

Уравнение плоской волны.

Резонанс - резкое возрастание амплитуды вынужденных колебаний при приближении частоты вынуждающего воздействия к некоторой фиксированной частоте (к резонансной частоте).

При наличии трения резонансная частота несколько меньше частоты собственных колебаний системы.

Интерференция волн - сложение в пространстве двух или нескольких волн, при котором в разных точках получается усиление или ослабление амплитуды результирующей волны.

Стоячие волны - волны, возникающие в результате интерференции прямой и отраженной бегущих синусоидальных волн при их встречном распространении. Причем эти волны должны иметь одинаковые частоты, амплитуды и, в случае поперечных волн, одинаковую поляризацию. Амплитуда стоячих волн не зависит от времени и является периодической функцией координат.

Звук - в широком смысле - колебательное движение частиц упругой среды, распространяющееся в виде волн в газообразной, жидкой или твердой средах.

В зависимости от частоты колебаний звук условно подразделяется:

- на инфразвук c частотой до 16 Гц;

- на слышимый звук c частотой от 16 Гц до 20 кГц;

- на ультразвук c частотой от 20 кГц до 1 ГГц; и

- на гиперзвук c частотой более 1 ГГц.

Ультразвук - упругие волны с частотами колебаний 20 КГц - 1 ГГц, превышающими верхнюю частотную границу слышимости человеческого уха.

Ультразвук:

- распространяется направленным пучком;

- слабо дифрагирует;

- может вызывать кавитацию жидкости;

- перемешивание дисперсных частиц.

Ультразвук низких частот (20 КГц - 200 КГц) получают с помощью магнитострикционных преобразователей.

Ультразвук высоких частот (200 КГц - 5 МГц) генерируют с помощью пьезоэлектрических преобразователей и используют в дефектоскопии.

Инфразвук - упругие волны с частотами менее 16 Гц. Источниками инфразвука являются газовые разряды, ветер, колебания земной коры и поверхности моря. Инфразвук слабо поглощается и распространяется на значительные расстояния.

Закон Паскаля - основной закон гидростатики, в соответствии с которым жидкости и газы передают производимое на них давление одинаково по всем направлениям.

Закон Архимеда - физический закон, определяющий силу Архимеда:

На тело, на погруженное в жидкость (газ), действует выталкивающая сила:

- численно равная весу жидкости (газа), вытесненной этим телом;

- направленная в сторону, противоположную направлению веса тела;

- приложенная в центре тяжести жидкости (газа) объема, занимаемого погруженной частью тела.

Условия Плавания Тел

На твердое тело, погруженное в жидкость, действуют архимедова сила FA и сила тяжести mg. В зависимости от соотношения сил mg и FA тело может тонуть, плавать и всплывать. Если mg > FA, тело тонет; если mg = FA, то тело плавает внутри жидкости или на ее поверхности; если mg < FA, то тело всплывает до тех пор, пока архимедова сила и сила тяжести не сравняются по модулю.

Тело плавает на поверхности, если рж = рт; тело тонет, если рт > рж; тело всплывает, если рт < рж

- Это соотношение называется уравнением неразрывности или уравнением постоянства расхода.

Уравнение неразрывности - для стационарного течения жидкости - соотношение, связывающее:

- плотность жидкости;

- скорость жидкости в трубе; и

- площадь поперечного сечения трубы.

Закон Бернулли - физический закон, в соответствии с которым:

В каждой точке установившегося потока жидкости сумма внешнего, гидростатического и динамического давления есть величина постоянная.

,

Здесь

ρ — плотность жидкости,

v — скорость потока,

h — высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости,

p — давление.

Идеальный газ - модель газа, в которой:

- между молекулами отсутствуют силы взаимного притяжения;

- сами молекулы принимаются за материальные точки; а

- взаимодействия между молекулами сводится к их абсолютно упругим ударам.

Разреженные реальные газы при температурах, далеких от температуры конденсации, близки по своим свойствам к идеальному газу.

Изопроцессы - в термодинамике - процессы, протекающие в системе с неизменным количеством вещества при постоянном значении одного из параметров состояния системы.

Газовые законы - законы термодинамических процессов, протекающих в системе с неизменным количеством вещества при постоянном значении одного из параметров: закон Шарля, закон Гей-Люссака, закон Бойля-Мариотта, а также закон Авогадро, закон Дальтона.

Адиабатический процесс - термодинамический процесс, который осуществляется в системе без теплообмена с внешним миром.

Процесс можно считать адиабатическим, если он протекает настолько быстро, что теплообмен между системой и окружающей средой практически не происходит.

Уравнение Пуассона - уравнение, связывающее давление и объем идеального газа при адиабатическом процессе.

где Δ — оператор Лапласа или лапласиан, а f — действительная или комплексная функция на некотором многообразии.

Политропический процесс, политропный процесс, изменение состояния физической системы, при котором сохраняется постоянной её теплоёмкость (С). Политропический процесс с идеальным газом, определяемый уравнением

pV n = const, где р — давление, V — объем газа, показатель политропы (Cp и Cv — теплоёмкости газа соответственно при постоянном давлении и объёме).

Закон Дюлонга-Пти (Закон постоянства теплоёмкости) — эмпирический закон, согласно которому молярная теплоёмкость твёрдых тел при комнатной температуре близка к 3R:

где R — универсальная газовая постоянная.

Поверхностное натяжение — термодинамическая характеристика поверхности раздела двух находящихся в равновесии фаз, определяемая работой обратимого изотермокинетического образования единицы площади этой поверхности раздела при условии, что температура, объем системы и химические потенциалы всех компонентов в обеих фазах остаются постоянными.

Сегнетоэлектрики - кристаллические диэлектрики, у которых диэлектрическая проницаемость есть величина переменная, зависящая от приложенного к кристаллу напряжения. Специфические свойства сегнетоэлектриков проявляются только в определенном температурном интервале.

Пьезоэлектрики - диэлектрики, в которых наблюдаются пьезоэлектрические эффекты.

Пироэлектрики - кристаллические диэлектрики, обладающие спонтанной (самопроизвольной) поляризацией, то есть поляризацией в отсутствии внешних воздействий.

Электрический диполь - система двух точечный зарядов +Q и -Q, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. На диполь, находящийся в электрическом поле, действует пара сил, стремящихся установить его вдоль силовых линий.

Электрический диполь представляет собой физическую модель макроскопического тела с выраженными по электрическому полю полюсами с противоположными знаками, обусловленными распределением свободных электрических зарядов.

Диэлектрик - вещество, обладающее низкой удельной электрической проводимостью.

Диэлектрики:

- практически не проводят электрический ток;

- способны поляризоваться в электрическом поле;

- подразделяются на пьезоэлектрики, сегнетоэлектрики, электреты и др.

Электрическая ёмкость — характеристика проводника, характеризующая его способность накапливать электрический заряд. Ёмкость определяется как отношение величины заряда проводника к потенциалу проводника. Ёмкость обозначается как C.

где Q — заряд, фи— потенциал.

Термопара - термочувствительный элемент в измерительных и преобразовательных устройствах.

Термопара состоит из двух последовательно соединенных разнородных проводников. Принцип действия термопары основан на измерении термоЭДС, возникающей в месте контакта проводников при наличии разности температур.

Термоэлектрические явления — совокупность физических явлений, обусловленных взаимосвязью между тепловыми и электрическими процессами в металлах и полупроводниках.

К термоэлектрическим явлениям относятся:

Эффект Зеебека

Эффект Пельтье

Эффект Томсона

Контактная разность потенциалов - разность потенциалов, возникающая между двумя разнородными проводниками при их соприкосновении. Она обусловлена различной концентрацией "свободных" электронов и различной работой выхода у разных проводников.

Электролиз — физико-химическое явление, состоящее в выделении на электродах составных частей растворённых веществ или других веществ, являющихся результатом вторичных реакций на электродах, которое возникает при прохождении электрического тока через раствор либо расплав электролита.

Первый закон Фарадея

В 1832 году Фарадей установил, что масса M вещества, выделившегося на электроде, прямо пропорциональна электрическому заряду Q, прошедшему через электролит:

если через электролит пропускается в течение времени t постоянный ток с силой тока I. Коэффициент пропорциональности k называется электрохимическим эквивалентом вещества. Он численно равен массе вещества, выделившегося при прохождении через электролит единичного электрического заряда, и зависит от химической природы вещества.

Второй закон Фарадея

Электрохимические эквиваленты различных веществ относятся, как их химические эквиваленты.

Химическим эквивалентом иона называется отношение молярной массы A иона к его валентности z. Поэтому электрохимический эквивалент

где F — постоянная Фарадея.

Закон Джоуля — Ленца: количество тепла, выделяемого в проводнике, прямо пропорционально квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени его прохождения.

Q = I2Rt = IUt = U2t / R

P = IU = I2R = U2 / R

Электрическая проводимость (электропроводность)- способность вещества проводить под действием неизменяющегося во времени электрического поля неизменяющийся во времени электрический ток.

В зависимости от вида носителей тока различают:

- электронную проводимость в металлах и полупроводниках;

- ионную проводимость в электролитах; и

- смешанную электронно-ионную проводимость в плазме.

Конденсатор — это система из двух проводников (обкладок), разделенных слоем диэлектрика, толщина которого мала по сравнению с размерами проводников.

Магнитное поле — составляющая электромагнитного поля, появляющаяся при наличии изменяющегося во времени электрического поля. Кроме того, магнитное поле может создаваться током заряженных частиц, либо магнитными моментами электронов в атомах (постоянные магниты). Основной характеристикой магнитного поля является его сила, определяемая вектором магнитной индукции В. В СИ магнитная индукция измеряется в Тесла (Тл).

Закон Ампера — закон взаимодействия постоянных токов. Установлен Андре Мари Ампером в 1820. Из закона Ампера следует, что параллельные проводники с токами, текущими в одном направлении, притягиваются, а в противоположном — отталкиваются. Законом Ампера называется также закон, определяющий силу, с которой магнитное поле действует на малый отрезок проводника с током.

Напряжённость магнитного поля — векторная величина, равная разности вектора магнитной индукции B и вектора намагниченности J.

Напряженность магнитного поля - векторная величина:

- характеризующая магнитное поле; и

- определяющая силу, действующую на магнитный полюс носителя магнитного момента со стороны магнитного поля.

Численно напряженность магнитного поля равна отношению:

- силы, действующей на магнитный полюс носителя магнитного момента; К

- магнитному потоку истока внешнего поля соответствующего полюса диполя.

Напряженность магнитного поля имеет положительное направление, совпадающее с направлением силы, действующей на исток магнитной индукции.

Если магнитное поле создается несколькими проводниками с током, то индукция результирующего поля есть векторная сумма индукций полей, создаваемых каждым проводником в отдельности.

Индукцию проводника с током можно представить как векторную сумму элементарных индукций delta B создаваемых отдельными участками проводника. На опыте невозможно осуществить отдельный участок проводника с током, так как постоянные токи всегда замкнуты. Можно измерить только суммарную индукцию магнитного поля, создаваемого всеми элементами тока. Закон Био–Савара определяет вклад delta B в магнитную индукцию результирующего магнитного поля, создаваемый малым участком Δl проводника с током I.