- •Передмова
- •МЕХАНІКА
- •1. КІНЕМАТИКА МАТЕРІАЛЬНОЇ ТОЧКИ
- •1.1. Основні поняття
- •1.4. Прямолінійний рух
- •1.5. Криволінійний рух. Рівномірний рух по колу
- •2. ДИНАМІКА МАТЕРІАЛЬНОЇ ТОЧКИ
- •2.1. Основні закони динаміки. Сила. Рівнодійна сила
- •2.2. Сили в механіці
- •2.4. Алгоритм розв’язання кількісних задач із фізики
- •2.5. Методичні рекомендації щодо розв’язання задач з динаміки
- •2.6. Приклади розв’язання задач
- •3. ЗАКОНИ ЗБЕРЕЖЕННЯ В МЕХАНІЦІ
- •3.1. Імпульс тіла. Імпульс сили
- •3.2. Закон збереження імпульсу
- •3.3. Реактивний рух
- •3.4. Енергія. Закон збереження енергії. Види енергії
- •3.5. Види механічної енергії та їх зв’язок з роботою
- •3.6. Механічна робота і потужність
- •3.7. Механічний удар
- •3.8. Прості механізми
- •4. МЕХАНІКА ТВЕРДОГО ТІЛА
- •4.1. Основні поняття
- •4.2. Умови і види рівноваги твердого тіла
- •4.3. Момент імпульсу. Закон збереження моменту імпульсу
- •4.4. Зіставлення рівнянь механіки поступального й обертального рухів (табл. 2)
- •4.5. Приклади розв’язання задач
- •5. ГІДРОСТАТИКА І АЕРОСТАТИКА
- •5.1. Тиск
- •5.2. Закон Паскаля
- •5.3. Гідростатичний тиск
- •5.4. Сполучені посудини
- •5.5. Гідростатичний парадокс
- •5.6. Гідравлічна машина
- •5.7. Закон Архімеда
- •5.8. Умови плавання тіл (табл. 3)
- •5.9. Атмосферний тиск, його вимірювання
- •5.10. Приклади розв’язання задач
- •6. ГІДРОДИНАМІКА І АЕРОДИНАМІКА
- •6.1. Струминна течія рідин і газів
- •6.2. Рівняння Бернуллі
- •6.3. Підйомна сила крила літака
- •6.4. Коефіцієнт лобового опору для тіл різної форми (табл. 4)
- •1. ОСНОВИ МОЛЕКУЛЯРНО-КІНЕТИЧНОЇ ТЕОРІЇ БУДОВИ РЕЧОВИНИ
- •1.1. Основні положення молекулярно-кінетичної теорії та їх дослідне обґрунтування
- •2. ВЛАСТИВОСТІ ГАЗІВ (ГАЗОВІ ЗАКОНИ)
- •2.2. Газові закони
- •2.3. Закон Дальтона
- •2.5. Середня довжина вільного пробігу молекул
- •2.6. Приклади розв’язання задач
- •3. ВЛАСТИВОСТІ ПАРИ
- •3.1. Пара. Випаровування і конденсація
- •3.2. Насичена і ненасичена пара
- •3.3. Вологість повітря (відносна й абсолютна). Точка роси
- •3.4. Кипіння. Перегріта рідина
- •3.5. Приклади розв’язання задач
- •4.2. Поверхнева енергія. Поверхневий натяг
- •4.3. Явище змочування. Капілярні явища
- •4.4. Формула Лапласа
- •4.5. Приклади розв’язання задач
- •5. ВЛАСТИВОСТІ ТВЕРДИХ ТІЛ
- •5.1. Кристалічні та аморфні тіла. Їхні властивості
- •5.2. Типи твердих кристалів
- •5.3. Рідкі кристали
- •5.4. Дефекти кристалічних ґраток
- •5.5. Механічні властивості твердих тіл
- •5.6. Приклади розв’язання задач
- •6. ТЕПЛОВЕ РОЗШИРЕННЯ ТВЕРДИХ І РІДКИХ ТІЛ
- •6.1. Графік залежності потенціальної енергії взаємодії найпростіших молекул від відстані між ними (потенціальна яма)
- •6.2. Лінійне й об’ємне розширення твердих і рідких тіл
- •6.3. Особливості теплового розширення води
- •6.4. Приклади розв’язання задач
- •1.1. Внутрішня енергія ідеального газу
- •1.2. Робота ідеального газу. Її геометричне тлумачення
- •1.5. Питома теплоємність речовини
- •1.6. Питома теплота згоряння палива. ККД нагрівача
- •1.7. Змінювання агрегатного стану речовини
- •2. ПЕРШИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ. АДІАБАТИЧНИЙ ПРОЦЕС
- •3. ДРУГИЙ ЗАКОН ТЕРМОДИНАМІКИ. ЕНТРОПІЯ
- •4. ТЕПЛОВІ ДВИГУНИ
- •ЕЛЕКТРОДИНАМІКА
- •1. ЕЛЕКТРОСТАТИКА
- •1.1. Електричний заряд. Закон збереження заряду
- •1.7. Електризація тіл
- •2. ПОСТІЙНИЙ СТРУМ
- •2.1. Електричний струм. Сила струму. Густина струму
- •2.3. Послідовне і паралельне з’єднання провідників
- •2.4. ЕРС. Закон Ома для повного кола. З’єднання елементів
- •2.6. Приклади розв’язання задач
- •3. СТРУМИ ПРОВІДНОСТІ
- •3.2. Струм в електролітах
- •3.4. Струм у напівпровідниках
- •3.5. Струм у вакуумі (струм переносу)
- •3.6. Приклади розв’язання задач
- •4. МАГНЕТИЗМ
- •4.1. Магнітне поле. Магнітна індукція поля
- •4.2. Магнітне поле струму
- •4.3. Дія магнітного поля на рухомий заряд (сила Лоренца) і провідник зі струмом (сила Ампера). Правило лівої руки
- •4.4. Дія магнітного поля на рамку зі струмом. Магнітний потік
- •4.5. Закон взаємодії паралельних струмів
- •4.6. Магнітне поле у речовині
- •4.7. Приклади розв’язання задач
- •5. ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ
- •5.1. Явище електромагнітної індукції. Вихрове електричне поле
- •5.3. Індукційні струми в суцільних провідниках
- •5.4. Самоіндукція. Індуктивність. Енергія магнітного поля
- •5.5. Електромагнітне поле. Теорія Максвелла в якісному вигляді
- •5.6. Приклади розв’язання задач
- •ФІЗИКА КОЛИВАНЬ
- •1. КОЛИВАЛЬНИЙ РУХ
- •1.1. Основні поняття
- •1.2. Гармонічні коливання
- •2. ЗМІННИЙ СТРУМ
- •2.1. Одержання змінного синусоїдного струму. Закономірності змінного струму
- •2.2. Діюче значення змінного струму
- •2.3. Опір змінному струму. Закон Ома для змінного струму
- •2.4. Електричний резонанс. Резонанс напруг. Резонанс струмів
- •2.5. Випрямлення змінного струму
- •2.6. Трансформація змінного струму
- •2.7. Змінний струм високої частоти
- •2.8. Приклади розв’язання задач
- •3. ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ КОЛИВАННЯ
- •3.2. Закономірності вільних електромагнітних коливань. Згасаючі коливання
- •3.3. Отримання незгасаючих електромагнітних коливань
- •3.4. Приклади розв’язання задач
- •4. МЕХАНІЧНІ ХВИЛІ. ЗВУК
- •4.1. Поздовжні і поперечні хвилі. Промінь. Довжина хвилі. Фронт хвилі
- •4.2. Принцип Гюйгенса
- •4.3. Інтерференція хвиль
- •4.4. Дифракція хвиль
- •4.5. Звук. Звукові хвилі. Інтенсивність, висота і тембр звуку
- •4.6. Луна. Звуковий резонанс
- •4.7. Приклади розв’язання задач
- •5. ЕЛЕКТРОМАГНІТНІ ХВИЛІ
- •5.1. Випромінювання електромагнітних хвиль відкритим коливальним контуром
- •5.3. Принцип радіозв’язку. Модуляція і детектування (демодуляція)
- •5.4. Класифікація радіохвиль і особливості їх поширення
- •5.5. Приклади розв’язання задач
- •ОПТИКА
- •1. ХВИЛЬОВА ОПТИКА
- •1.1. Монохроматичне світло. Заломлення світла
- •1.2. Дисперсія світла
- •1.4. Інтерференція білого світла за Френелем
- •1.5. Інтерференція білого світла за Ньютоном. Кільця Ньютона
- •1.6. Дифракція білого світла
- •1.7. Поляризація світла
- •2. ГЕОМЕТРИЧНА ОПТИКА
- •2.2. Закони відбивання світла
- •2.3. Закони заломлення світла. Повне відбивання світла
- •2.4. Хід променів через плоскопаралельну пластинку, призму
- •2.5. Сферичні лінзи
- •2.6. Око як оптична система
- •2.8. Сферичні дзеркала
- •2.9. Приклади розв’язання задач
- •3. ВИПРОМІНЮВАННЯ ТА СПЕКТРИ
- •3.1. Люмінесценція
- •3.2. Інфрачервоні та ультрафіолетові промені
- •3.3. Рентгенівські промені
- •3.4. Спектри випромінювання. Спектри поглинання
- •3.5. Спектральний аналіз
- •1.1. Поняття про простір і час
- •1.2. Постулати СТВ. Перетворення Лоренца
- •1.4. Приклади розв’язання задач
- •2. КВАНТОВА ОПТИКА
- •2.1. Теорія Планка. Імпульс фотона
- •2.2. Фотоефект
- •2.3. Фотоелементи та їх застосування
- •2.4. Світловий тиск
- •2.5. Корпускулярно-хвильовий дуалізм
- •2.6. Хімічний вплив світла. Чорно-біла фотографія. Фотосинтез. Ланцюгові реакції
- •2.7. Приклади розв’язання задач
- •3. ФІЗИКА АТОМА
- •3.1. Планетарна модель атома Резерфорда
- •3.2. Постулати Бора. Борівські орбіти
- •3.3. Атом Гідрогену за Н. Бором
- •3.4. Приклади розв’язання задач
- •4. ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА
- •4.1. Відкриття протона і нейтрона
- •4.2. Теорія будови ядра
- •4.3. Енергія зв’язку ядра. Дефект маси
- •4.4. Природна радіоактивність
- •4.6. Часткове звільнення внутрішньоядерної енергії при екзотермічних ядерних реакціях
- •4.7. Закон радіоактивного розпаду
- •4.8. Приклади розв’язання задач
- •5. ЕЛЕМЕНТАРНІ ЧАСТИНКИ
- •5.1. Фізика елементарних частинок
- •5.2. Приклади розв’язання задач
- •Предметний покажчик
6.Теплове розширення твердих і рідких тіл
6.1.Графік залежності потенціальної енергії взаємодії найпростіших молекул від відстані між ними (потенціальна яма)
У рідинах і твердих тілах при збільшенні температури збільшується амплітуда коливального руху молекул біля положення, що відповідає мінімуму потенціальної енер-
|
гії взаємодії між ними (дну |
||||
Ï |
потенціальної |
ями). Оскільки |
|||
потенціальна |
крива |
неси- |
|||
|
|||||
|
метрична, |
перехід молекул |
|||
r0 |
на більш |
високий |
енерге- |
||
тичний рівень зумовлює не |
|||||
|
тільки зростання амплітуди, |
rа й збільшення середньої від-
|
|
|
|
|
стані між молекулами: від- |
||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
бувається |
зміщення |
центра |
|
|
|
|
|
|||
Ï0 |
|
|
|
|
коливань |
молекули. |
Тому |
|
|
|
|
і рідини , і тверді тіла розши- |
|||
|
|
Рис. 149 |
|
рюються при зростанні їхньої |
|||
|
|
|
температури (рис. 149). |
||||
|
|
|
|
|
|||
|
6.2. Лінійне й об’ємне розширення твердих і рідких тіл |
||||||
|
Лінійне розширення: |
|
|
||||
|
|
|
|
l =l0 (1+αt), |
|
|
де l0 — довжина тіла при температурі 0 °С; l — довжина тіла при температурі t;
— коефіцієнт лінійного розширення; α = К−1 .
α
σводи ≈2 10−4 К−1 ; σефіру ≈16 10−4 К−1 .
Об’ємне розширення:
V = V0 (1+βt) ,
де V0 — об’єм тіла при температурі 0 °С; V — об’єм тіла при температурі t;
β— коефіцієнт об’ємного розширення; β = К−1 .
182
6. Теплове розширення твердих і рідких тіл
Зв’язок між коефіцієнтами об’ємного і лінійного розширення для твердих тіл:
βт. т ≈3α .
Щоб визначити коефіцієнт об’ємного розширення рідини (βрід ) , що міститься в скляній колбі, треба до експериментально визначеного коефіцієнта (βK ) додати коефіцієнт об’ємного розширення скла (3αск ):
βрід =βK +3αск ,
де βK = ∆VK ; ∆VK — уявна зміна об’єму.
V0t
6.3. Особливості теплового розширення води
—Вода при нагріванні від 0 до 4°С зменшується в об’ємі (її густина максимальна при 4 °С). Подальше нагрівання води спричиняє збільшення її об’єму.
—Густина води зменшується при замерзанні, внаслідок чого лід плаває на її поверхні. Ці особливості пояснюються тим, що в твердому стані кристалічна структура
має менш щільну упаковку, ніж у рідкому. А максимум густини упаковки молекул води буде при 4 °С.
Особливість теплового розширення води має важливе значення для збереження живих організмів у водоймах узимку. Охолоджувані повітрям верхні шари води опускаються вниз, а теплі піднімаються вгору. Таке змішування
води відбувається доти, поки температура води не опуститься до 4 °С. При подальшому охолодженні верхні шари не опускаються, і при 0 °С зверху утворюється лід, який плаває на поверхні й оберігає водойму від повного промерзання.
6.4. Приклади розв’язання задач
Задача 1.
Якої величини силу треба докласти до мідного дроту перерізом 10 мм2, щоб розтягнути його на стільки, на скільки він подовжується при нагріванні на 20 К?
183
Молекулярна фізика
Дано: |
СІ: |
|
|
|
|
|
S =10 мм2 |
S =10−5 м2 |
|
|
|
||
∆T =20 К |
∆T =20 К |
|
|
|
||
Eміді |
= E =1,2 1011 Па |
Eміді |
= E =1,2 1011 |
Па |
||
αміді |
= α =1,7 10−5 К−1 |
αміді |
= α =1,7 10 |
−5 |
К |
−1 |
F — ? |
|
|
||||
|
|
|
|
|
Розв’язання:
При нагріванні дроту відбувається подовження його на
∆l =l2 −l1. l1 =l0 (1+αt1 ),
де l0 — довжина дроту при 0 °С;
l2 =l0 (1+αt2 ) ; ∆l =l0α(t2 −t1 ) =l0α∆t =l0α∆T. |
(1) |
||||||||||||||||||||||||
За умовою задачі дріт має отримати таке саме подо- |
|||||||||||||||||||||||||
вження при деформації. За законом Гука: |
|
||||||||||||||||||||||||
|
σ = E |
|
ε |
|
= E |
|
|
∆l |
|
|
, |
|
∆l = |
σl0 |
. |
(2) |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
E |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
F |
|
|
|
Розпишемомеханічнунапругу: σ = |
|
іпідставимоїїв(2): |
|||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Fl0 |
|
|
|
S |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
∆l = |
|
. |
|
|
|
|
(3) |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
SE |
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
Прирівнявши праві частини рівнянь (1) і (3), дістанемо: |
|||||||||||||||||||||||||
|
Fl0 |
=l0α∆T , звідки |
F = α∆T SE . |
|
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
SE |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обчислення: |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
= К |
−1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
Па = Н , |
|
||||||||||||
|
|
F |
|
|
|
К |
|
м |
|
|
|
{ F} =1,7 10−5 20 10−5 1,2 1011 ≈410.
Відповідь: F ≈410 Н.
Задача 2.
Чому при нагріванні та охолодженні залізобетонних конструкцій залізо в них не відділяється від бетону?
Аналіз і розв’язання:
Тому що їхні коефіцієнти лінійного розширення майже
однакові.
Тепловим рухом називається хаотичний рух атомів і молекул.
184
Основи
термодинаміки
Термодинаміка — розділ фізики, який вивчає загальні властивості макроскопічних систем, що перебувають у стані термодинамічної рівноваги. Термодинаміка вивчає найбільш загальні закономірності перетворення енергії, але не розглядає молекулярної будови речовини.
Будь-яка система, що складається з великої кількості частинок — атомів, молекул, іонів та електронів, які здій-
снюють хаотичний тепловий рух і при взаємодії між собою обмінюються енергією, називається термодинамічною си стемою. Такими системами є гази, рідини й тверді тіла (їх
ще називають макроскопічними тілами).
Стан термодинамічної системи зумовлюється температурою, об’ємом, зовнішнім тиском та іншими термодинамічними параметрами.
1. Внутрішня енергія і її зміна при теплопередачі
Внутрішня енергія макроскопічного тіла дорівнює сумі кінетичних енергій безладного руху всіх молекул (або
185