- •Предмет физики
- •Структура физического познания.
- •Пространственно-временная область изучаемых физикой объектов
- •Физические теории
- •Раздел 1. Физические основы механики.
- •Глава 1. Кинематика.
- •§1.1. Система отсчета. Инерциальные системы отсчета. Принцип относительности.
- •§1.2. Кинематика материальной точки.
- •§1.3. Равномерное и равнопеременное движения.
- •§ 1.4. Кинематика вращательного движения.
- •§ 1.5. Краткие итоги главы 1.
- •Глава 2. Динамика материальной точки.
- •§ 2.1 .Задача динамики. Состояние материальной точки. Динамические характеристики движения.
- •§ 2.2. Законы Ньютона. Второй закон как уравнение движения.
- •§ 2.3. Силы в механике.
- •§ 2.4. Работа силы. Мощность.
- •§ 2.4. Механическая энергия.
- •§ 2.5. Краткие итоги главы 2
- •Глава 3.Законы сохранения в механике.
- •§ 3.1.Фундаментальный характер законов сохранения
- •§ 3.2. Закон сохранения импульса.
- •§ 3.3. Закон сохранения механической энергии
- •§ 3.4. Столкновения тел
- •Глава 4. Динамика вращательного движения.
- •§ 4.1. Кинетическая энергия вращающегося и катящегося тел
- •§ 4.2. Момент инерции
- •§ 4.3. Работа и мощность при вращательном движении. Момент силы относительно оси
- •§ 4.4. Уравнение динамики вращательного движения.
- •§ 4.5. Закон сохранения момента импульса
- •§ 4.6. Краткие итоги главы 4
- •Раздел 2. Молекулярная физика и термодинамика
- •Глава 5. Кинетическая теория
- •§ 5.1. Тепловое движение
- •§ 5.2. Основное уравнение кинетической теории газа
- •§ 5.3. Уравнение Клапейрона – Менделеева
- •§ 5.4. Молекулярно-кинетический смысл абсолютной температуры. Средняя энергия теплового движения молекулы
- •§ 5.5. Распределение Максвелла молекул газа по скоростям
- •§ 5.6. Барометрическая формула. Распределение Больцмана.
- •§ 5.7. Среднее число столкновений и средняя длина свободного пробега молекул.
- •§ 5.8. Выводы из главы 5.
- •Глава 6. Термодинамика.
- •§ 6.1. Тепловые процессы
- •§ 6.2. Первое начало термодинамики.
- •§ 6.3 Изопроцессы.
- •§ 6.4. Тепловая и холодильная машины
- •§ 6.5. Цикл Карно
- •§ 6.6. Энтропия.
- •§ 6.7. Второе начало термодинамики.
- •§ 6.8. Основные выводы главы 6.
- •Раздел 3. Электромагнетизм
- •Глава 7. Электростатика
- •§7.1.Электрический заряд. Закон Кулона.
- •§7.2. Электрическое поле. Напряженность.
- •§ 7.3. Теорема Гаусса.
- •§ 7.4. Потенциал и работа электростатического поля.
- •§ 7.5. Связь напряженности и потенциала электростатического поля.
- •§ 7.6.Электростатическое поле в веществе.
- •§ 7.7. Электроемкость. Конденсатор.
- •§ 7.8. Энергия электрического поля.
- •Глава 8. Постоянный электрический ток.
- •§ 8.1. Электрический ток: сила тока, плотность тока
- •§ 8.2. Механизм электропроводности
- •§ 8.3. Законы постоянного тока.
- •§ 8.4. Работа и мощность тока
- •Глава 9. Магнитное поле тока
- •§ 9.1 Магнитное взаимодействие. Магнитное поле
- •§ 9.2. Закон Био-Савара-Лапласа
- •9.3. Вихревой характер магнитного поля.
- •§ 9.4. Действие магнитного поля на токи и движущиеся электрические заряды
- •§ 9.5. Магнитное поле в веществе
- •Глава 10. Явление электромагнитной индукции
- •§ 10.1. Основной закон электромагнитной индукции
- •§ 10.2. Самоиндукция и взаимная индукция
- •§ 10.3. Энергия магнитного поля
- •§ 10.4. Вихревое электрическое поле. Уравнения Максвелла
§ 4.6. Краткие итоги главы 4
Обратим внимание на аналогию характеристик и формул законов динамики поступательного и вращательного движений, подчеркивающую общность их физического смысла. В частности, формулы поступательного движения превращаются в формулы вращательного движения (и, наоборот) при замене обозначений физических величин на их аналоги для другого вида движения.
Характеристики и законы динамики |
Вид движения |
|
Поступательное (м.т.) |
Вращательное (а.т.т) |
|
Динамические характеристики |
||
Мера инертности |
m – масса |
I - момент инерции |
Мера внешнего воздействия |
- сила |
- момент силы |
«Запас движения» |
- импульс |
- момент импульса |
Формулы законов и определений |
||
Уравнение движения |
или |
или |
Работа |
|
|
Кинетическая энергия |
||
Закон сохранения «запаса движения» замкнутой системы тел |
Раздел 2. Молекулярная физика и термодинамика
Глава 5. Кинетическая теория
§ 5.1. Тепловое движение
1. Вещество состоит из структурных элементов – атомов и молекул. Напомним, что массы атомов, измеренные в атомных единицах1, указаны в таблице Менделеева. Массу молекулы вычисляют суммированием масс составляющих ее атомов. Эти массы называют относительной атомной, соответственно, относительной молекулярной массой. Даже микроскопическая с обыденной точки зрения масса вещества состоит из огромного числа частиц. Например, 1 см3 воздуха при обычных условиях имеет массу немного более 1 мг и содержит более 1019 частиц. В жидкостях и в твердых телах концентрация частиц еще больше, соответственно, больше плотность вещества. Макроскопическим считают тело, состоящее из такого числа частиц N, что ln N >>12.
Количество вещества принято измерять в молях. Моль – количество вещества, в котором содержится определенное число структурных единиц, оно называется числом (или постоянной) Авогадро: Na=6,02.10 23 моль -1. Массу моля вещества называют молярной массой, ее численное значение в граммах равно относительной молекулярной массе. Для вещества в атомарном состоянии молярная масса численно равна атомной массе. Обозначим молярную массу М, массу одной молекулы т0, тогда
(5.1.1)
Совокупность частиц тела называют термодинамической системой. Термодинамической системой является любое макроскопическое тело: твердое, жидкое, газообразное.
2. Частицы (атомы и молекулы) вещества непрерывно хаотически движутся. Это движение называется тепловым. Именно оно определяет внутреннее состояние каждого тела и индивидуальные свойства вещества.
Фундаментальным свойством теплового движения является его «забывчивость». Поясним на примере. Капля окрашенной жидкости, попав в прозрачную воду, со временем равномерно распределится по всему объему. Окончательное состояние смеси будет одинаковым независимо от того, в каком месте в начальный момент появилась окрашенная капля - ее начальное состояние будет «забыто». Если внешние условия не изменяются, то равномерное распределение окрашенного вещества со временем меняться не будет. Не изменяющееся со временем состояние называется стационарным. В стационарном состоянии тела через его границы может переноситься не изменяющийся со временем поток вещества, энергии, импульса, электрического заряда. Например, при протекании тока по проводнику через его поперечное сечение происходит перенос заряда, а через поверхность проводника переносится энергия в виде количества тепла. Если через границы тела нет никаких потоков, то такое тело называется изолированной термодинамической системой. «Забывчивость» теплового движения приводит изолированную термодинамическую систему в состояние, которое называется тепловым или термодинамическим равновесием. В равновесном состоянии в любых участках системы характеристики одинаковы и неизменны.
Именно тепловое движение и его «забывчивость» являются причиной возникновения термодинамического равновесия.
3. Модель материального тела представляет собой систему огромного числа частиц. Каждая частица в зависимости от обстоятельств и рассматриваемого явления может быть представлена моделью классической, например, м.т. или а.т.т., или квантовой. Взаимодействие частиц друг с другом подчиняется известным законам (классическим или квантовым). Движение каждой отдельной частицы можно рассчитать, используя законы динамики. Действительно, зная начальное состояние всех частиц и законы их взаимодействия, можно для каждой из них составить и решить уравнение движения. Однако подумайте, какое громадное число уравнений надо решить и сколько для этого требуется времени, жизни не хватит! Если даже эти уравнения будут решены, то полученная из них информация окажется бесполезной: при термодинамическом равновесии состояние системы остается неизменным, тогда как состояние каждой частицы непрерывно изменяется в результате ее теплового движения. Это значит, что одному и тому же состоянию всей системы (его называют макросостоянием) соответствует множество разных состояний частиц системы (микросостояний).
Предметом изучения молекулярной физики и термодинамики являются свойства и поведение термодинамической системы как целого. Из сказанного ясно, что динамическое описание системы многих частиц неосуществимо с технической, непригодно с теоретической и бесполезно с практической точек зрения.
4. Для изучения свойств макротел (термодинамических систем) физика использует два метода: статистический и термодинамический.
Статистический метод основан на теории вероятностей и истолковывает свойства тел как суммарный, усредненный результат движения отдельных молекул. Статистический метод выявляет закономерности, которым подчиняется, казалось бы, полный беспорядок в движении отдельных молекул.
Термодинамический метод является феноменологическим1. Это означает, что он рассматривает тело «снаружи», не вдаваясь в его внутреннее строение, на основе небольшого числа фундаментальных законов (они называются началами термодинамики), полученных обобщением опыта. Термодинамический метод иногда называют энергетическим методом рассмотрения тел (первое начало термодинамики – закон сохранения энергии). Этот метод широко применяется при анализе различных физических систем и явлений, изучаемых в разных разделах физики.
Статистический и термодинамический методы взаимно дополняют друг друга, образуя, по сути, единое целое.