Фундаментальные физические постоянные

Гравитационная постоянная – коэффициент пропорциональности, входящий в закон тяготения Ньютона:

,

где F – сила притяжения двух материальных точек массами m₁ и m₂, находящихся на расстоянии r.

Постоянная Авогадро определяет число структурных элементов (атомов, молекул, ионов или других частиц) в единице количества вещества (в одном моле). Названа в честь итальянского ученого А.Авогадро.

Универсальная (молярная) газовая постоянная, вхлдящая в уравнение состояния одного моля идеального газа: pV_m = RT, где p – давление газа; V_m – молярный объем газа; T – термодинамическая температура газа. Физический смысл газовой постоянной – это работа расширения одного моля идеального газа под постоянным давлением при нагревании на 1 К. С другой стороны, газовая постоянная – разность молярных теплоемкостей при постоянном давлении и при постоянном объеме С_P - С_V = R.

Постоянная Больцмана равна отношению молярной газовой постоянной к постоянной Авогадро: k = R/N_A.

Постоянная Больцмана входит в ряд важнейших соотношений физики: в уравнение состояния идеального газа, в выражение для средней энергии теплового движения частиц, связывает энтропию физической системы с ее термодинамической вероятностью. Названа в честь австрийского физика Л.Больцмана.

Молярный объем идеального газа, т.е. объем, приходящийся на количество вещества газа 1 моль при нормальных условиях (р₀ = 101,325 кПа, Т₀ = 273,12 К), определяется из соотношения

.

Элементарный электрический заряд (е), наименьший электрический

заряд, положительный или отрицательный, равный по значения заряду электрона. Почти все элементарные частицы обладают электрическим зарядом + е или – е или являются незаряженными.

Постоянная Фарадея – равна произведению постоянной Авогадро на элементарный электрический заряд (заряд электрона) F = N_Ae. Названа в честь английского физика М.Фарадея.

Скорость света в вакууме (скорость распространения любых электромагнитных волн) представляет собой предельную скорость распространения любых физических воздействий, инварианта при переходе от одной системы отсчета к другим.

Постоянная Стефана – Больцмана входит в закон, определяющий полную (по всем длинам волн) испускательную способность черного тела: R = δT⁴, где R – испускательная способность черного тела, Т – термодинамическая температура. Закон сформулирован на основании экспериментальных данных австрийским физиком И.Стефаном (1879), теоретически получен австрийским физиком Л.Больцманом (1884).

Постоянная Вина входит в закон смещения Вина, утверждающий, что длина λ_max, на которую приходится максимум энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна термодинамической температуре Т излучающего тела: λ_max = b₁/Т.

Постоянная Планка (квант действия) определяет широкий круг физических явлений, для которых существенна дискретность величин с размерностью действия. Введена в 1900 г. Немецким физиком М.Планком при установлении закона распределения энергии в спектре излучения черного тела.

Постоянная Ридберга входит в выражения для уровней энергии и частот излучения атомов (спектральные серии): , где n_i и n_k – числа, определяющие начальный и конечный уровни энергии. Для каждой спектральной серии n_i постоянно, а n_k = n_i+1, n_i+2,… . Введена шведским физиком И.Р.Ридбергом.

Радиус первой боровской орбиты (в теории датского физика Н.Бора) – радиус ближайшей к ядру (протону) электронной орбиты. В квантовой механике определяется как расстояние от ядра, на котором с наибольшей вероятностью можно обнаружить электрон в невозбужденном атоме водорода.

Комптоновская длина волны определяет изменение длины волны электромагнитного излучения при комптоновском рассеянии на электроне

, где h – постоянная Планка, m_e – масса покоя электрона, с – скорость света в вакууме. Эффект открыт американским физиком А.Комптоном (1892).

Атомная единица массы применяется в атомной и ядерной физике для выражения масс элементарных частиц атомов и молекул; 1 а.е.м. равна 1/12 массы нуклида углерода ¹²С.

Электрическая и магнитная постоянные – физические постоянные, входящие в формулы электромагнетизма: , где с – скорость света в вакууме.

УЧЕБНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ПО РАЗДЕЛАМ КУРСА

ФИЗИКИ

Контрольные работы 1А, 1Б.

I. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МЕХАНИКИ,

МОЛЕКУЛЯРНОЙ ФИЗИКИ И ТЕРМОДИНАМИКИ

Пояснения к рабочей программе

Приступая к изучению физики, необходимо уяснить, что физика, наряду с другими естественными науками, изучает объективные свойства окружающего нас материального мира. Она исследует наиболее общие формы движения материи и их взаимные превращения. Движение есть форма существования материи. Физические понятия являются простейшими и в то же время основополагающими и всеобщими в естествознании (пространство, время, движение, масса, работа, энергия и др.).

Изучать основы классической механики надо исходя из представлений современной физики, в которой основные понятия классической механики не утратили своего значения, а получили дальнейшее развитие, обобщение и критическую оценку с точки зрения их применения. Следует помнить, что механика — это наука о простейших формах движения материальных тел и происходящих при этом взаимодействиях между телами. Движение всегда существует в пространстве и во времени. Диалектический материализм учит, что пространство и время являются основными формами существования материи. Предметом классической механики является движение макроскопических материальных тел, совершаемое со скоростями, малыми по сравнению со скоростью света в вакууме. Движение частиц со скоростями порядка скорости света рассматривается в теории относительности, а движение микрочастиц изучается в квантовой механике.

В контрольную работу №1 включены задачи, дающие возможность проверить знания студентов по ключевым вопросам классической механики и элементам специальной теории относительности. Решая задачи по кинематике, в которых необходимо использовать математический аппарат дифференциального и интегрального исчисления, студент должен научиться определять мгновенные скорость и ускорение по заданной зависимости координаты от времени и решать обратные задачи.

Задачи на динамику материальной точки и поступательного движения твердого тела охватывают такие вопросы, как закон движения центра масс механической системы, закон сохранения количества движения, работа силы и ее выражение через криволинейный интеграл, связь кинетической энергии механической системы с работой сил, приложенных к этой системе, закон сохранения механической энергии. Тщательного изучения и понимания требуют вопросы о поле как форме материи, осуществляющей взаимодействие между частицами вещества или телами, о потенциальной энергии механической системы.

В задачах на кинематику и динамику вращательного движения твердого тела главное внимание уделялось изучению соотношений между линейными и угловыми характеристиками, понятий момента силы, момента инерции тела, законов сохранения количества движения, момента количества движения и механической энергии.

В контрольную работу включены задачи по элементам специальной теории относительности, которые охватывают следующие вопросы: относительность одновременности, длин и промежутков времени, релятивистский закон сложения скоростей, зависимость релятивистской массы от скорости, соотношение между релятивистской массой и полной энергией. Решая эти задачи, студент должен усвоить, что законы классической механики имеют границу применимости и что они получаются как следствие теории относительности.

Изучая физические основы молекулярной физики и термодинамики, студенты должны уяснить, что существуют два качественно различных и взаимодополняющих метода исследования физических свойств макроскопических систем — статистический (молекулярно-кинетический) и термодинамический. Молекулярно-кинетический метод исследования лежит в основе молекулярной физики, термодинамический — в основе термодинамики. Молекулярно-кинетическая теория позволяет с единой точки зрения рассмотреть различные явления во всех состояниях вещества, вскрыть их физическую сущность и теоретическим путем вывести многочисленные закономерности, открытые экспериментально и имеющие большое практическое значение.

При изучения молекулярно-кинетической теории следует уяснить, что свойства огромной совокупности молекул отличны от свойств каждой отдельной молекулы и свойства макроскопической системы в конечном счете определяются свойствами частиц системы, особенностями их движения и средними значениями

кинетических характеристик частиц, т. е. их скоростей, энергий и т.д.

В отличие от молекулярно-кинетической теории, термодинамика не изучает конкретно молекулярные взаимодействия, происходящие с отдельными атомами или молекулами, а рассматривает взаимопревращения и связь различных видов энергии, теплоты и работы. Термодинамика базируется на опытных законах (началах), которые позволяют описывать физические явления, связанные с превращением энергии макроскопическим путем.

При изучении основ термодинамики студент должен четко усвоить такие понятия, как термодинамическая система, термодинамические параметры (параметры состояния), равновесное состояние, уравнение состояния, термодинамический процесс, внутренняя энергия, энтропия и т. д.

Задачи контрольной работы дают возможность проверить знания студентов по основным вопросам молекулярной физики и термодинамики.

В задачах на тему «Основы молекулярно-кинетической теории» внимание уделено таким вопросам программы, как уравнение Клапейрона — Менделеева, уравнение молекулярно-кинетической теории, средние кинетические энергии поступательного и вращательного движения молекул, средняя длина свободного пробега и среднее число соударений, явления переноса.

Задачи по теме «Основы термодинамики» охватывают такие важные соотношения и понятия, как первое начало термодинамики, внутренняя энергия, работа при различных изопроцессах и адиабатном процессе. Включены также задачи, которые позволяют изучить и понять такие вопросы, как второе начало термодинамики и энтропия идеального газа, являющаяся в отличие от количества теплоты функцией состояния.

Задачи в контрольной работе расположены приблизительно в том порядке, в каком соответствующие вопросы рассматриваются в рабочей программе.