Физика набор шпор 2008-2009 (Шпоры по физике)

Посмотреть архив целиком

Билет №1

1) Простейшими свойствами обладает газ, взаимодействие между молекулами которого пренебрежимо мало. Такой газ называется идеальным. Всякий реальный газ при достаточном разрежении близок по своим свойствам к идеальному. Некоторые газы, такие как воздух, азот, кислород даже при обычных условиях, то есть при комнатной температуре и атмосферном давлении, мало отличаются от идеального газа. Особенно близки по своим свойствам к идеальному газу гелий и водород.

Основное уравнение кинетической теориии идеального газа

2) Кинематика точки.

Кинематика изучает движение тел, не интересуясь причинами, обуславливающими это движение.

Тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь, называется материальной точкой.

Материальная точка при своем движении описывает некоторую линию, которая называется траекторией.

Одна из хар-ик траектории – ее кривизна С=lim /s, при s0.

Радиус кривизны – величина, обратная С.

Расстояние между начальной и конечной точками движения, отсчитанное вдоль траектории, называется путем, пройденным частицей.

Прямолинейный отрезок, проведенный из точки начала движения в точку конца движения, называется перемещением частицы.

Перемещение – вектор характеризуется численным значением и направлением.

Если за равные, сколь угодно малые промежутки времени частица проходит одинаковые пути, то движение частицы называют равномерным.

Вектор скорости направлен по касательной к траектории.

Величина, равная пределу отношения изменения скорости ко времени, при t0, называется ускорением.

Составляющая вектора ускорения, направленная по касательной к траектории движения, называется тангенциальным ускорением.

Составляющая вектора ускорения, направленная по нормали к траектории движения, называется нормальным ускорением.

















Билет №3

1) Совокупность тел, выделенная для рассмотрения, называется механической системой.

Система тел, взаимодействующих только между собой, называется замкнутой.

Центром масс тела называется точка С, положение которой определяется радиус-вектором r: r=(miri/mi).

Центр масс твердого тела движется так, как двигалась бы материальная точка с массой, равной массе тела, под действием приложенных к телу сил.


2) Максвелловское распределение молекул по скоростям

В состоянии термодинамического равновесия макроскопические параметры системы не меняются со временем. Однако координаты и импульсы отдельных молекул непрерывно изменяются благодаря хаотическому тепловому движению. Тем не менее полный беспорядок, которым характеризуется тепловое движение молекул, имеет свои законы: в состоянии термодинамического равновесия физическая система характеризуется определенными средними значениями различных величин и определенным законом распределения значений этих величин у отдельных молекул. В частности, существует неизменное во времени распределение молекул по скоростям и координатам. Знание этих распределений позволяет вычислять средние значения микроскопических параметров системы.

Возьмем в воображаемом пространстве скоростей прямоугольные оси, по которым будем откладывать значения vx,vy,vz (компоненты скорости по осям). Вследствие равноправия всех направлений движения расположение точек относительно начала координат будет сферически симметричным. Следовательно, плотность точек в пространстве может зависеть только от модуля скорости v. Обозначим эту плотность через Nf(v) (N – полное число молекул в данной массе газа). Тогда количество молекул, компоненты скоростей которых лежат в пределах от vi до vi+dvi, i=x,y,z можно представить в виде: dNvx,vy,vz=Nf(v)dvxdvydvz. Объем области, лежащей между сферами радиусов v и v+dv, в которую попадают молекулы с соответствующими скоростями, равен 4v2dv. Следовательно, число точек, находящихся в этой области, определяется выражением dNv=Nf(v)4v2dv. Это выражение дает число молекул, величина скоростей которых лежит в интервале от v до v+dv. Разделив на N, получим вероятность dPv того, что скорость молекулы окажется в пределах от v до v+dv: dPv=f(v)4v2dv. Так как dPx=f(x)dx, делаем вывод, что F(v)=f(v)4v2 играет роль функции распределения молекул газа по скоростям. Вид функции был теоретически установлен Максвеллом в 1860г. (дальше там вывод страницы на три – см. шпору).



Билет №5

1) Момент силы.

l=r*sin называется плечом силы относительно точки О.

Две равные по величине противоположно направленные силы, не действующие вдоль одной прямой, называются парой сил.

Расстояние между прямыми, вдоль которых действуют силы, называется плечом пары.


Момент импульса материальной точки и механической системы.

Момент импульса относится к одному из трех аддитивных интегралов движения.

Для отдельно взятой частицы моментом импульса относительно точки О называется псевдовектор M=[r,p]=[r,mv].

Моментом импульса системы относительно точки О называется векторная сумма моментов импульсов частиц, входящих в систему.

Проекция вектора момента импульса на некоторую ось z называется моментом импульса частицы относительно этой оси.

Основное уравнение динамики вращательного движения

M=I*(dw/dt)

2) Атмосферное давление на какой-либо высоте h обусловлено весом вышележащих слоев газа. Обозначим буквой p давление на высоте h. Тогда давление на высоте h+dh будет p+dp, причем если dh>0, то dp<0, так как вес вышележащих слоев атмосферы, а след., и давление с высотой убывают. Разность давлений равна весу газа, заключенного в объеме цилиндра с площадью основания, равной единице, и высотой dh: dp=-gdh, где - плотность газа на высоте h. При условиях, близких к нормальным, воздух мало отличается по своему поведению от идеального газа. Поэтому плотность воздуха можно вычислить по формуле: =Mp/(RT). Подстановка этого выражения дает: dp=-(Mg/RT)dh. Температура является некоторой функцией от высоты. Если вид функции известен, то данное уравнение можно проинтегрировать и найти зависимость p от h. Для случая, когда T(h)=const, получаем, что p=Cexp(-Mgh/RT). При h=0 C=p0, где p0 – давление на высоте h=0. Таким образом: p=p0exp(-Mgh/RT). Эта формула называется барометрической. Из нее следует, что давление убывает с высотой тем быстрее, чем тяжелее газ, и чем ниже температура.

Если вместо p подставить значение nkT, то kT в обеих частях сократится, и получим формулу: n=n0exp(-mgh/kT). Здесь n – концентрация молекул на высоте h, n0 – на высоте h0. Из этой формулы следует, что с понижением температуры число частиц на высотах, отличных от нуля, убывает, обращаясь в нуль при T=0. При абсолютном нуле все молекулы расположились бы на земной поверхности. Каждое конкретное распределение молекул по высоте устанавливается в результате действия двух тенденций: 1)притяжение молекул к Земле (mg); 2) тепловое движение (kT). На разной высоте молекула обладает различным запасом потенциальной энергии: ep=mgh. Следовательно распределение по высоте является вместе с тем и распределением по потенциальной энергии молекул. То есть: n=n0exp(-ep/kT). Больцман доказал, что это распределение справедливо не только случае потенциального поля сил земного тяготения, но и в любом потенциальном поле сил для совокупности любых одинаковых яастиц, находящихся в состоянии хаотического теплового движения. В соответствии с этим это распределение называют распределением Больцмана.

В то время, как закон Максвелла дает распределение частиц по значениям кинетической энергии, закон Больцмана дает распределение частиц по значениям потенциальной энергии. Согласно закону Больцмана, количество молекул, попадающих в пределы объема dV=dxdydz, расположенного в точке с координатами x,y,z равно dNx,y,z=n0exp(-ep(x,y,z)/kT)dxdydz.

Билет №6

1) Величина, равная dA=Fds, называется работой, совершаемой силой F на пути ds.

Работа - физческая величина (мера), характеризующая изменение энергии в механике.

Работа, совершаемая в единицу времени, называется мощностью.

Величина, равная Т=mv2/2, называется кинетической энергией.

Если на частицу действует сила F, то кинетическая энергия не остается постоянной.

Кинетическая энергия тела при плоском движении слагается из энергии поступательного движения со скоростью центра масс системы и энергии вращения вокруг оси, проходящей через центр масс тела.

Кинетическая энергия вращающегося тела равна половине произведения момента инерции на квадрат угловой скорости при:

  1. тело вращается вокруг неподвижной оси

  2. тело вращается вокруг одной из главных осей инерции

  3. тело - шаровой волчок.

2) В то время, как закон Максвелла дает распределение частиц по значениям кинетической энергии, закон Больцмана дает распределение частиц по значениям потенциальной энергии. Согласно закону Больцмана, количество молекул, попадающих в пределы объема dV=dxdydz, расположенного в точке с координатами x,y,z равно dNx,y,z=n0exp(-ep(x,y,z)/kT)dxdydz. Распределения Максвелла и Больцмана, таким образом, можно объединить в один закон Максвелла-Больцмана, согласно которому число молекул, компоненты скорости которых лежат в пределах от vx, vy, vz до vx+dvx, vy+dvy, vz+dvz, а координаты в пределах от x, y, z до x+dx, y+dy, z+dz, равно: dNvx,vy,vz,x,y,z=Aexp(-(ep+mv2/2)/kT)dvxdvydvzdxdydz. A – нормировочный множитель равный n0(m/2kT)3/2, ep=ep(x,y,z) и v2=vx2+vy2+vz2.






















Билет №4

  1. Момент силы.

l=r*sin называется плечом силы относительно точки О.

Две равные по величине противоположно направленные силы, не действующие вдоль одной прямой, называются парой сил.

Расстояние между прямыми, вдоль которых действуют силы, называется плечом пары.


Момент импульса материальной точки и механической системы.

Момент импульса относится к одному из трех аддитивных интегралов движения.

Для отдельно взятой частицы моментом импульса относительно точки О называется псевдовектор M=[r,p]=[r,mv].

Моментом импульса системы относительно точки О называется векторная сумма моментов импульсов частиц, входящих в систему.

Проекция вектора момента импульса на некоторую ось z называется моментом импульса частицы относительно этой оси.

2) Первое экспериментальное определение скоростей молекул было осуществлено Штерном в 1920 году. Прибор, использованный для этой цели, состоял из двух коаксиальных цилиндров. По оси прибора была натянута платиновая нить. При нагревании нити электрическим током с ее поверхности испарялись атомы серебра. Скорости испарившихся атомов соответствовали температуре нити. Покинув нить, атомы серебра двигались по радиальным направлениям. Внутренний цилиндр имел узкую продольную щель, через которую проходил наружу узкий пучок атомов (молекулярный пучок). Весь прибор был эвакуирован, чтобы атомы серебра не отклонялись за счет соударения с молекулами воздуха. Достигнув поверхности внешнего цилиндра, атомы серебра оседали на ней, образуя слой в виде узкой вертикальной полоски. Если привести прибор во вращение, след, оставляемый молекулярным пучком, сместится по поверхности внешнего цилиндра на некоторую величину. Исследуя профиль следа, можно было составить представление о распределении атомов серебра по скоростям. Результаты опыта Штерна подтвердили правильность оценки средней скорости атомов, которая вытекает из распределения Максвелла. О характере самого распределения этот опыт мог дать лишь весьма приближенные сведения. Более точно закон распределения был проверен в опыте Ламмерта (1929г).








Билет №2

1) Числом стпеней свободы механической системы называется количество независимых величин, с помощью которых может быть задано положение системы. Каждая молекула, сколько бы степеней свободы она не имела, всегда имеет три поступательные степени. Поскольку ни одна из них не имеет преимущества перед остальными, на каждую из них должна приходиться в среднем одинаковая энергия, равная одной трети значения поступательной энергии, т.е. 1/2kT. Закон равнораспределения (классическая статистическая физика): на каждую степень свободы молекулы в среднем приходится одинаковая кинетическая энергия, равная 1/2kT. Поступательное и вращательное движения молекулы связаны с наличием только кинетической энергии, в то время как колебательное движение связано с наличием и кинетической, и потенциальной энергии., причем для гармонического осциллятора среднее значение кин. и пот. энергии оказывается одинаковым. Таким образом, средняя энергия молекулы должна равняться <e>=i/2kT, где i=nпост+nвращ+2nколеб – сумма числа поступательных, вращательных и удвоенного числа колебательных степеней свободы молекулы.

Молекулы идеального газа не взаимодействуют между собой, поэтому внутреннюю энергию одного моля идеального газа можно найти, умножив число Авогадро на среднюю энергию одной молекулы: Uм=NA<e>=i/2NAkT=i/2RT.

2) Силой является мера взаимодействия тел друг с другом.

Силы делятся на консервативные и диссипативные, а также внутренние и внешние.

Консервативной является сила, работа которой зависит только от начального и конечного положения тела в пространстве, но не зависит от пути, по которому двигается тело.

Если частица в каждой точке пространства подвержена воздействию других тел, то эта частица находится в поле сил.

Поле сил, в котором действующие силы проходят через один неподвижный центр, называется центральным полем.

Поле называется однородным, если во всех точках поля силы одинаковы по величине и направлению.

Поле, изменяющееся со временем, называется нестационарным (стационарное – наоборот).

В современной физике различают 4 типа взаимодействия:

  1. гравитационное

  2. электромагнитное

  3. сильное или ядерное

  4. слабое (ответственное за многие процессы распада элементарных частиц).

Гравитационные и электромагнитные силы – фундаментальные.

Если после прекращения воздействия тело принимает первоначальные размеры, то деформация называется упругой.

Величина, равная отношению силы к величине поверхности, на которую действует сила, называется напряжением.

Если сила направлена по нормали к поверхности, то напряжение называется нормальным.

Если сила направлена по касательной к поверхности, то напряжение называется тангенциальным.

При деформации сдвига любая прямая, перпендикулярная к слоям, повернется на некоторый угол .

В качестве характеристики деформации сдвига берется величина =tg называемая относительным сдвигом.

Относительный сдвиг пропорционален тангенциальному напряжению =(1/G).

Коэффициент G зависит только от свойств материала и называется модулем сдвига.

Трение, возникающее при относительном перемещении двух соприкасающихся тел, называется внешним.

Трение между частями одного и того же тела называется внутренним.

Трение между твердым телом и жидкой или газообразной средой, а также между слоями такой среды называется вязким.

Сухое трение разделяется на скольжение и качение.

Сила трения, возникающая при попытке вызвать скольжение, называется силой трения покоя.

Силой нормального давления называется сила, направленная по нормали к поверхности соприкосновения тел.

В системе отсчета, связанной с землей, на всякое тело массой m действует сила называемая силой тяжести.

Сила, с которой тело действует на опору или подвес, называется весом тела.







Билет №7

1) Консервативные силы.

Консервативной является сила, работа которой зависит только от начального и конечного положения тела в пространстве, но не зависит от пути, по которому двигается тело.

Работа таких сил на замкнутом пути равна 0.

Силы, действующие на частицу в центральном поле и в стационарном однородном, консервативны.

Поле консервативных сил является частным случаем потенциального силового поля.

Поле называется потенциальным, если его можно описать с помощью ф-ции П(x, y, z, t), градиент которой определяет силу в каждой точке поля.

Функция П называется потенциалом.

Когда потенциал не зависит явно от времени, то потенциальное поле оказывается стационарным.

2) Молекулы газа, находясь в тепловом движении, непрерывно сталкиваются друг с другом. Под столкновением молекул подразумевают процесс взаимодействия между молекулами, врезультате которого молекулы изменяют направление своего движения. Минимальное расстояние, на которое сближаются при столкновении центры двух молекул, называется эффективным диаметром молекулы. Величина d2 называется эффективным сечением молекулы. Эффективный диаметр молекул зависит от их энергии, а следовательно , и от температуры. С повышением температуры эффективный диаметр уменьшаеся.

За секунду молекула проходит в среднем путь, равный средней скорости <v>. Если за секунду она претерпевает в среднем столкновений, то средняя длина свободного пробега будет равна <v>/. Предположим, что все молекулы, кроме данной, застыли неподвижно на своих местах. Ударившись об одну из неподвижных молекул, выделенная нами молекула будет лететь прямолинейно до тех пор, пока не столкнется с какой-либо другой неподвижной молекулой. Это соударение произойдет в том случае, если центр неподвижной молекулы окажется от прямой, вдоль которой летит молекула, на расстоянии, меньшем эффективного диаметра молекулы d. Таким образом молекула будет соударяться с теми молекулами, которые попадут в цилиндр радиуса d. За секунду молекула проходит путь, равный <v>. Умножив объем цилиндра d2<v> на число молекул в единице объема, получим среднее число столкновений за секунду движущейся молекулы с неподвижными: d2<v>n. В действительности, все молекулы движутся, поэтому число соударений определяется средней скоростью движения молекул по отношению друг к другу, а не средней скоростью <v> молекул относительно стенок сосуда. Относительная скорость двух произвольно взятых молекул равна vотн=v2-v1. Возведя в квадрат и перейдя к средним значениям, получим: <v2отн>=<v22>+<v12>-2<v1v2>. События, заключающиеся в том, что первая молекула имеет скорость v1, а вторая - v2, являются статистически независимыми, поэтому <v1v2>=<v1><v2>. Для газа, находящегося в равновесии, каждый из сомножителей равен нулю. Поэтому: <v2отн>=2<v2> (среднее значение квадрата скорости всех молекул одинаково и равно <v2>). Полученный результат означает, что vотн,ср.кв=vср.кв. Средние квадратичные скорости пропорциональны средним арифметическим. Поэтому: <vотн>=<v>. Получаем для среднего числа столкновений за секунду выражение d2<v>n. Для средней длины пробега получаем, соответственно, формулу 1/(d2n). Заменив d2 через , получим 1/(n). При постоянной температуре n пропорционально p. Следовательно, средняядлина свободного пробега обратно пропорциональна давлению. При повышении температуры длина свободного пробега увеличивается, так как уменьшается эффективный диаметр молекул.








Билет №9

1) Закон сохранения механической энергии.

Полная механическая энергия системы невзаимодействующих частиц, на которые действуют только консервативные силы, остается постоянной.

Полная механическая энергия системы тел, на которые действуют лишь консервативные, силы остается постоянной.

E=Eкин+Eпот=const

Полная энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют только консервативные силы, остается постоянной.

2) Диффузия в газах.

Явлением диффузии называется процесс установле­ния внутри фаз равновесного распределения концентраций. Результатом диффузии при по­стоянной температуре является выравнивание химических потенциалов. В однофазной системе при посто­янной температуре и при отсутствии внешних сил диф­фузия выравнивает концентрацию компонента фазы во всей системе. Если на систему действуют внешние силы или поддерживается градиент температуры, то в резуль­тате диффузии устанавливаются градиенты концентраций отдельных компонентов.

В простейшем случае самодиффузии происходит вы­равнивание концентрации химически однородного веще­ства при Т = const и отсутствии внешних сил, осуще­ствляемое наложением на тепловое движение атомов или молекул их упорядоченного движения. В случае броунов­ского движения диффундируют крупные части­цы, взвешенные в газе или жидкости.





















Билет №11

1) Гармонические колебания.

В зависимости от характера воздействия на колеблющуюся систему различают свободные, вынужденные, автоколебания и параметрические колебания.


  1. Эквивалентность теплоты и

работы. Внутренняя энергия.








Билет №12

1) Сложениие взаимно перпендикулярных гармонических колебаний равных и кратных частот.

Пусть x=a*cost, а y=b*cos(t+), где - разность фаз обоих колебаний.

В итоге получается уравнение эллипса: x2/a2 + y2/b2 - (2(xy)/(ab))*cos=sin2.

  1. При =0: y=bx/a - прямая. Результирующее движение - гармоническое колебание вдоль прямой с частотой и амплитудой А=a2+b2.

  2. =: уравнение (x/a+y/b)2=0 y=-(b/a)*x - прямая.

  3. =/2: x2/a2+y2/b2=1.

Если частоты взаимно перпендикулярных колебаний не одинаковы, то траектория результирующего движения - сложная кривая, называемая фигурой Лиссажу.

2) Первое начало термодинамики. Теплоёмкость газов.













Билет №10

1) Гармонические колебания.

В зависимости от характера воздействия на колеблющуюся систему различают свободные, вынужденные, автоколебания и параметрические колебания.


  1. Понятие о физическом

вакууме. Молекулярное течение

разреженных газов.


Разреженными называются газы, находящиеся при столь малых давлениях, что средняя длина свободного пробега соизмерима с линейными размерами сосуда. В технических задачах такое состояние газа называют ва­куумом. В разреженных газах сохраняются те свойства идеальных газов, которые определяются соударениями молекул со стенками сосуда, и изменяются свойства, зави­сящие от межмолекулярных столкновений.

2° Уменьшение плотности разреженного газа не изме­няет средней длины свободного пробега молекулы, а при­водит лишь к убыли числа молекул, участвующих в пере­носе импульса или внутренней энергии. Коэффициенты вязкости и теплопроводности разреженного газа прямо пропорциональны плотности газа.

3° Внутреннее трение в разреженных газах отсутствует и существует лишь внешнее трение движущегося газа о стенки сосуда. Последнее зависит от изменения им­пульса (количества движения) молекул при их соударе­ниях со стенками. Величина силы трения, действующей на единицу площади стенки, в первом приближении про­порциональна скорости движения газа и его плотности. Теплопроводность разреженных газов меньше, чем обыч­ных газов, и осуществляется переносом внутренней энер­гии молекулами, свободно перемещающимися между стен­ками сосуда с различными температурами t1 и T2. Коли­чество тепла, полученного (или отданного) единицей площади стенки за единицу времени, прямо пропорцио­нально разности температур t1 - T2 и плотности газа,




Билет №8

1) Потенциальные энергии тяготения и упругих деформаций.

  1. Тяготение: П(h)=-m1m2/r

  2. Деформация: П(x)=kx2/2.

Связь между потенциальной энергией и силой.

Fxdx=-dП.

Компонента силы по оси z равна частной производной потенциальной энергии по переменной z, взятой с обратным знаком.

2) Теплопроводность и вязкость газов.



















Билет №13

1) Свободные незатухающие колебания.

Свободными или собственными колебаниями называются колебания, которые происходят в системе, предоставленной самой себе после того, как она была выведена из положения равновесия.

Примером может служить математический маятник.

Уравнение, описывающее перемещения при колебаниях: x’’+02x=0 или mx’’=-kx

x=A cos(0t+φ)

Энергия и импульс гармонического осциллятора.

Осциллятор называется гармоническим, если его потенциальная энергия пропорциональна квадрату отклонения от положения равновесия, что имеет место при малых колебаниях.

Фазовая траектория.

{x=A cos(0t+φ)

{υ= -υмакс sin(0t+φ)

(x/A)2= - (υ/ υмакс) + 1

2)Работа идеального газа в изопроцессах

------------------------------------------















Билет №15

1) Свободные затухающие колебания.

Затухающие колебания описываются уравнением: x’’+2x’+02x=0.

2=r/m, 02=k/m, где r - коэффициент сопротивления, k - коэффициент квазиупругой силы.

02 - собственная частота системы.

=02-2|, x=a0e-tcos(t+),период затухающих колебаний: T=2/(02-2|).

Скорость затухания колебаний определяется величиной , которую называют коэффициентом затухания.

Декремент и логарифмический декремент затухания.

Декрементом затухания называется отношение значений амплитуд, соответствующим моментам времени, отличающимся на период: a(t)/(a(t+T))=eT.

Логарифмический декремент затухания: =T.

Добротность колебательной системы.

Для характеристики колебательной системы употребляется величина Q=/ называемая добротностью системы.

С ростом коэффициента затухания период увеличивается.

2)Работа тепловой машины при циклическом процессе. Коэффициент полезного действия.