close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

lekcii 1-4

код для вставкиСкачать
 Физические основы механики
Механика-часть физики, которая изучает закономерности механического движения и причины, вызывающие или изменяющие это движение. Механическое движение - это изменение с течением времени взаимного расположения тел или их частей.
Механика Галилея- Ньютона (1564-1727гг.) называется классической механикой. В ней изучаются законы движения макроскопических тел, скорости которых малы по сравнению со скоростью света в вакууме(С=3× м/с). Законы движения макроскопических тел со скоростями, сравнимыми со скоростью света (ϑ≤ С), изучаются релятивистской механикой, основанной на специальной теории относительности, сформулированной Эйнштейном (1879-1955гг.). Для описания движения микроскопических тел (атомы, элементарные частицы) законы классической механики неприменимы - они заменяются законами квантовой механики (Шредингер, Гейзенберг и др.)
Механика делится на три раздела: кинематику, динамику и статику.
Тема 1. Элементы кинематики.
Кинематика изучает движение тел, не рассматривая причины, которые это движение обуславливают.
Динамика изучает законы движения тел и причины, которые вызывают или изменяют это движение.
Статика изучает законы равновесия системы тел.
Основные понятия (самостоятельно).
Поступательное движение - движение, при котором все точки тела движутся так, что прямая, соединяющая две произвольные точки тела, переносится параллельно самой себе.
Вращательное движение - движение, при котором все точки данного тела движутся по окружностям, центры которых лежат на одной прямой - оси вращения тела, а плоскости вращения точек перпендикулярны оси вращения.
Материальная точка - тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.
Система материальных точек или тел (механическая система) - мысленно выделенная совокупность материальных точек или тел, которые взаимодействуют как друг с другом, так и стелами, не входящими в состав системы.
Замкнутая или изолированная механическая система - совокупность материальных точек или тел, на каждое из которых не действуют внешние силы (тела).
Время. Под временем понимается свойство материальных процессов иметь определенную длительность, следовать друг за другом в определенной последовательности. Время измеряют специальными приборами (часы), в основе работы которых лежит строго периодический и равномерный
Физический процесс - колебания. За единицу времени в СИ принята 1 секунда ( =1с.)
Начало отсчета - реальное физическое тело или условно абсолютно твердое тело, относительно, которого определяется положение изучаемых материальных точек или физических тел в пространстве и времени. Абсолютно твердое тело - тело, расстояние, между любыми точками которого с течением времени неизменно.
Система отсчета - начало отсчета, связанная с ним система координат и часы, по отношению к которым определяется пространственное и временное положение других тел механической системы. Например, любую точку траектории тела на плоскости в системе отсчета - прямоугольная система координат (декартова) ОХУ и часы - характеризует тройка чисел (х, у, t). Для тела в пространстве (х, у, z, t).
Начальное положение. Положение движущейся точки А в некоторый фиксированный момент времени t = t называется ее начальным положением и характеризуется на плоскости тройкой чисел А (х,у,t), в пространстве
А (х,у,z t). (рис. 1)
Пусть ∆S - расстояние между двумя заданными точками А и В траектории, отсчитанное вдоль нее ([∆S]= 1м.).
Перемещение ∆□(→┬z ) -направленный отрезок, проведенный из начальной точки А в заданную точку В траектории (вектор ∆r). В СИ единица перемещения - метр:[∆r]=1 м.
2) Скорость и ускорение.
Скоростью равномерного движения (ϑ) называется величина, измеряемая длиной пути, проходимого в единицу времени:
"Ѵ=" (∆ S)/(∆ t) , или ∆S=" Ѵ" ∆ t; ["Ѵ]=1" м/с.
В случае переменного движения различают мгновенную и среднюю скорости. Если за время от момента t+∆ t тело пройдет путь ∆S (рис.1), то отношение "Ѵ=" (∆ S)/(∆ t) называется средней скоростью за промежуток времени ∆ t. Мгновенной скоростью или скоростью в данный момент времени t ( в данной точке траектории) называется предел
"Ѵ=" lim┬(∆ t→0)⁡〖(∆ S)/(∆ t)〗=ds/dt=S ̇
Скорость- величина векторная. Мгновенная скорость при криволинейном движении направлена по касательной к траектории в данной точке. Выразим скорость в векторном виде.
<□(→┬"Ѵ" >=(Δ□(→┬r ))/Δt) ; □(→┬"Ѵ" ) "=" lim┬(∆ t→0)⁡〖(∆ □(→┬r ))/(∆ t)〗=□(→┬dr )/(d t)=(□(→┬z )) ̇
Из рис.1 вытекает, что ≪" Ѵ≫>" |≪□(→┬"Ѵ" ≫)|, так как ∆ S>|Δ□(→┬r )|, и только в случае прямолинейного движения ∆ S=|Δ□(→┬r )|. Сложение скоростей производится векторно.
Физической величиной, характеризующей быстроту изменения скорости по модулю и направлению, является ускорение.
Средним ускорением неравномерного движения называется векторная величина, равная отношению изменения скорости ∆ □(→┬"Ѵ" ) к интервалу времени Δt:
<□(→┬а>= □(→┬("Ѵ-- " "Ѵ" _0 ) )/(t-t_(0 ) )) = (Δ□(→┬"Ѵ" ))/Δt ; [a] = 1м/с^2.
Мгновенным ускорением материальной точки в данный момент времени(в данной точке траектории) будет предел среднего ускорения:
□(→┬(а ) )= lim┬(∆ t→0)<□(→┬а )>= lim┬(∆ t→0) (Δ□(→┬" Ѵ" ))/Δt = (d□(→┬" Ѵ" ))/dt = (□(→┬" Ѵ" )) ̇ = (□(→┬r )) ̈
Т. е., ускорение есть векторная величина, равная первой производной скорости по времени или второй производной перемещения по времени.
Полное ускорение тела есть геометрическая сумма тангенциальной и нормальной составляющих
(рис. 2):
□( →┬а )= (d□(→┬" Ѵ" ))/dt = □(→┬ar ) + □(→┬an ) ;
где тангенциальная (r) составляющая ускорения характеризует быстроту изменения скорости по модулю ( направлена по касательной к траектории), а нормальная составляющая (n) ускорения - быстроту изменения скорости по направлению (направлена к центру кривизны траектории). Т.о., модуль полного ускорения при криволинейном движении равен:
а= √(ar^2+an^2 ) ;
где ar = d"Ѵ" /dt ; an = "Ѵ" ^2/r
В зависимости от ar и an движение можно классифицировать:
ar =0 , an =0- прямолинейное равномерное движение: "Ѵ=" "Ѵ" _(0 );S="Ѵ" _0t
ar =а=const, an=0 - прямолинейное равнопеременное движение: "Ѵ=" "Ѵ" _(0 )± at
S="Ѵ" _0 t±(at^2)/2
где "Ѵ" _(0 )- начальная скорость.
ar =0, an = const. При ar =0 скорость по модулю не изменяется, а изменяется по направлению. Из формулы an = "Ѵ" ^2/r , следует, что радиус кривизны должен быть постоянным. Следовательно, движение по окружности является равномерным.
ar =0, an≠0 - равномерное криволинейное движение.
ar = const, an≠0 - криволинейное равнопеременное движение.
3). Вращательное движение
Рассмотрим твердое тело, которое вращается вокруг неподвижной оси. Тогда отдельные точки этого тела будут описывать окружности разных радиусов, центры которых лежат на оси вращения. Пусть некоторая точка движется по окружности радиуса R (рис.3).
Равномерным движением называется такое движение, при котором тело за любые равные промежутки времени поворачивается на один и тот же угол.(φ) угловая скорость равномерного вращения (ω ) есть величина, измеряемая углом поворота за единицу времени:
ω =φ/t ; [ω]= 1 рад/с.
В случае неравномерного движения различают среднюю и мгновенную угловые скорости.
Средней угловой скоростью (<ω >) за промежуток времени Δt называется отношение: < ω >= (Δ φ )/Δt.
Предел этого отношения есть мгновенная угловая скорость в момент времени t_(0 ):
w = lim⁡(Δ φ)/Δt = dφ/dt = φ ̇
Угловая скорость векторная величина. Вектор □(→┬( ω ) ) направлен вдоль оси вращения по правилу правого винта (так же направлен вектор оси □(→┬φ ))
(рис.3)
Линейная скорость рассматриваемой точки А(рис.3).
"Ѵ=" lim┬(∆ t→0)⁡〖(∆ S)/(∆ t)〗=lim┬(∆ t→0) (R*Δφ)/Δt=R lim┬(∆ t→0) Δφ/Δt=Rω Угловым ускорением (□(→┬Е )) называется векторная величина, равная первой производной угловой скорости по времени или второй производной угла поворота по времени:
□(→┬ε )= 〖■(lim@∆ t→0) 〗⁡〖(∆ □(→┬ω ))/(∆ t)〗 = (d→┬ω)/dt =(→┬ω ) ̇ = (→┬φ ) ̇ ; [ε]=1 рад/с.
При ускоренном движении вектор ε ⃗ сонаправлен вектору ω ⃗ (рис.3), при замедленном - противоположен ω ⃗.
Тангенциальная составляющая ускорения:
a_r=d"Ѵ" /dt=(d(ωR))/dt= R dω/dt= R* ε
Нормальная составляющая ускорения:
a_n= "Ѵ" ^2/R = (ω^(2 ) R^2)/R = ω^(2 )R .
В случае равнопеременного движения точки по окружности (Е=const):
ω= ω_(0 )± εt
φ=ω_(0 ) t ±(εt^2)/2
Где w_(0 )- начальная угловая скорость.
Изменение движения тел или изменение их формы происходит в результате взаимодействия по меньшей мере двух тел.
Силой называется физическая величина, характеризующая взаимодействие тел; она определяет изменение движения тела или изменение формы тела, или то и другое вместе. Сила - величина векторная.
1) Законы динамики
Первый закон Ньютона: всякая материальная точка (тело) сохраняет состояние покоя или равномерного равномерного прямолинейного движения до тех пор, пока воздействие со стороны других тел не заставит ее изменить это состояние. Свойство тел сохранять величину и направление скорости ( ϑ ⃗=const), когда на него действуют силы или действуют уравновешенные силы (), называется инерцией (или инертностью). Изменение движения тела определяется не только действующей на него силой, но и свойствами самого тела. Физическая величина, пропорциональная отношению величины действующей на тело силы к сообщаемому ею ускорению , называется массой данного тела: . Масса, входящая в законы Ньютона, характеризует инертные свойства; кроме того, масса входит в закон всемирного тяготения, где она характеризует гравитационные свойства, т.е. свойство тел притягивать друг друга. Следовательно, можно различать массу инертную и массу гравитационную. Однако все опытные факты говорят о том, что инертная и гравитационная массы тела равны друг другу. Поэтому физики говорят просто о массе. При больших скоростях, близких к скорости света в вакууме, масса зависит от скорости:
,
где m - масса движущегося тела; m0 - масса неподвижного тела; v - скорость движущегося тела; c - скорость света в вакууме.
Второй закон Ньютона:
Ускорение материальной точки (тела) пропорционально вызывающей его силе, совпадает с нею по направлению и обратно пропорциональна движущейся массе тела.
(рис . 4)
.
В системе cu коэффициент пропорциональности k=1. Тогда .
В системе СИ за единицу силы принимают силу, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с2. Эту единицу называют Ньютоном (н).
[F]=1H=1 кг/с^2 .
Произведение массы тела на его скорость называется импульсом тела (или количеством движения): p ⃗=m. Импульс - величина векторная, совпадающая по направлению со скоростью.
[P]=1 (кг*м)/с
Если приложенная к телу сила постоянна по величине и направлению, то закон Ньютона можно записать в следующем виде:
или ,
Где - импульс силы.
Третий закон Ньютона: Силы, с которыми два тела друг на друга, направлены по одной прямой, равны по величине и противоположны по направлению: или , где F1 - сила, приложенная к первому телу;
F2 - сила, приложенная ко второму телу;
m1 - масса первого тела;
m2 - масса второго тела.
2) Закон сохранения импульса.
Действующих на систему материальных точек (тел) можно разделить на два вида - внутренние и внешние. Внутренними называются силы, которые действуют между телами, входящими в систему; внешними называются силы, обусловленные взаимодействием с телами, не принадлежащими данной системе. Система называется замкнутой, если внешние силы отсутствуют. Для замкнутой системы выполняется закон сохранения импульса: векторная сумма импульсов тел в замкнутой системе является величиной постоянной из уравнения: (II) , т. к. .
Тогда (закон сохранения импульса). Для системы тел:
.
3) Динамика вращательного движения.
При изучении вращения твердых тел будем пользоваться понятием момента инерции. Момент инерции материальной точки относительно некоторой оси равен произведению ее массы на квадрат расстояния от точки до этой оси рис 6: (рис. 6)
Моментом инерции системы материальных точек (тела) относительно данной оси называется физическая величина, равная сумме произведений масс n материальных точек системы на квадраты их расстояний до рассматриваемой оси (вращения) 00`:
.
Момент инерции тела относительно любой оси (например на рис7) можно найти, если известны момент инерции тела относительно параллельной ей оси , проходящей через центр тяжести тела (точка C), масса тела m и расстояние между осями в (рис. 7):
(рис. 7)
Где Jc находится по формуле (14).
Т. О., роль массы при вращательном движении выполняет момент инерции.
Запишем закон ньютона для вращательного движения :
ε=M/J; M=Jε ,
Где роль массы выполняет момент инерции J, силы момент силы M , линейного ускорения -углового ускорения ε.
Моментом силы относительно оси называется величина, равная произведению силы на плечо M=F*l ; [M]=1*H*M,где плечо (l) -кратчайшее расстояние от оси вращения до линии действия силы (рис. 8)
(рис. 8)
Из рис. 8 находим связь между r (расстояние между точкой приложения силы b осью вращения) и l ; l-zsinα.
Тогда момент силы M=F*rsinα (или )
Момент силы - величина векторная. Направления момента сил и углового ускорения совпадают.
При равномерном вращательном движении сумма моментов действующих на тело равна нулю.
Второй закон Ньютона для вращательного движения можно выразить через импульс тела; для этого используется величина, называемая моментом импульса L ⃗. Момент импульса - векторная величина, численно равная произведению импульса тела на плечо r ⃗:
Направление вектора □(→┬L ) определяется по правилу правого винта: если головку винта вращать по направлению вращения тела, то поступательное движение винта будет совпадать с направлением □(→┬L ). Аналогичным образом определяются направления □(→┬M ) и □(→┬ω ). Тогда закон вращательного движения можно сформулировать следующим образом: изменение момента импульса за единицу времени равно моменту сил, действующих на тело:
(точно M=dL/dt),
где L и L - моменты импульсов во время t и t0.
Векторная сумма моментов импульсов тел, входящих в замкнутую систему, является величиной постоянной: -закон сохранения момента импульса.
Примеры: 1) вращение фигуриста на льду, 2) гироскоп.
Равномерное движение точки по окружности характеризуется центростремительным ускорением и может существовать только при наличии силы, создающей это ускорение (рис. 9). Эта сила приложена к движущейся по окружности точке массой m и называется центростремительной (нормальной):
(рис. 9)
.
Центростремительная сила направлена по радиусу к оси вращения, и ее момент относительно оси вращения равен нулю (равно нулю плечо силы).
4) Закон всемирного тяготения.
Две материальные точки, обладающие массами m1 и m2, притягиваются друг к другу с силой F:
где r - расстояние между точками, a γ = 6,67∙〖10〗^(-11) 〖кг〗^(-1)∙m^3∙c^(-3) (H∙m^2 〖кг〗^(-2)) -гравитационная постоянная. В случае однородных шаров с массами m1 и m2 сила взаимодействия выражается той же формулой, причем R означает расстояние между центрами шаров.
Пример: Сила притяжения между телом массы m, расположенным на поверхности Земли, и Землей.
где М - масса Земли, R - радиус земного шара (рис. 10).
(рис. 10)
Все тела в данной точке Земли падают с одинаковыми ускорениями относительно ее поверхности. Вследствие суточного вращения Земли ускорение g будет обусловлено векторной суммой двух сил: силой притяжения Земли и центростремительной силой . Равнодействующая этих сил называется силой тяжести.
Сила тяжести и сила притяжения (сила тяготения) к Земле незначительно отличаются друг от друга по величине и по направлению. Угол α между направлениями сил и (рис.10) на широте φ: α = 0,0018 sin 2φ
Направление совпадает с направлением отвеса; сила притяжения всегда направлена к центру Земли; обе силы совпадают по направлению лишь на полюсах, где = (9,83 м/с2), и на экваторе, где.
Ускорение силы тяжести (напряженность поля тяготения), в соответствии с законом тяготения (20), на высоте H от поверхности Земли выражается формулой:
.
В центре Земли напряженность поля тяготения равна нулю. Если Землю принять за однородный шар, то по мере удаления от центра Земли растет и достигает max на поверхности Земли . Вне Земли по мере удаления от центра Земли убывает; зависимость ускорения от расстояния до центра Земли изображена графиком (рис.11).
(рис.11)
5) Силы трения
Если твердое тело перемещается относительно другого твердого тела, причем их поверхности соприкасаются, то возникает сила, препятствующая этому перемещению. Такая сила называется силой трения. Она объясняется неровностью трущихся поверхностей, а также силами молекулярного взаимодействия.
Если на покоящееся на плоской поверхности тело действует сила, направленная параллельно поверхности соприкосновения тел, то движение тела начинается только при определенной величине действующей силы. Эта величина силы определяет максимальное значение силы трения покоя.
Величина силы трения (Fт) скольжения зависит от природы и качества обработки соприкасающихся поверхностей, а также от величины силы, прижимающей трущиеся поверхности (силы нормального давления N) (рис. 12).
(рис. 12)
где k - коэффициент трения скольжения.
Трение качения меньше трения скольжения. Сила трения качения зависит от радиуса R катящегося тела, силы нормального давления и качества соприкасающихся поверхностей:
,
Где - коэффициент трения качения.
6) Работа, мощность, энергия.
Работой называется величина, равная произведению силы на перемещение по направлению действия силы (A=F*S). Если сила не совпадает по направлению с перемещением, то работа равна:
(рис. 13)
A = F *s*cosα , [A]=|H∙M|Дж где α - угол между направлениями силы и перемещения. Работа при повороте на угол φ во вращательном движении при постоянном моменте силы M равна Aв = M∙ φ .
Мощностью называется величина, равная работе, совершаемой в единицу времени: Вт .
где F - сила; v - скорость.
При вращательном движении тела мощность равна Где М-момент силы, ω - угловая скорость.
Физическая величина, определяющая способность тел совершать работу, называется энергией: энергию движения, или, иначе, кинетическую энергия (Т), зависящую от относительной скорости тел, и энергию положения, или, иначе, потенциальную энергию (П), зависящую от расположения тел. Полной механической энергией системы называется сумма кинетических и потенциальных энергий всех тел, входящих в эту систему. Силы, работа которых не зависит от формы пути, называются консервативными (силы тяжести, упругости и др.); силы трения (диссипативная сила) не являются консервативными.
Если на тела системы, кроме внутренних консервативных сил, действуют внешние силы, то полная энергия системы изменяется. Обозначая начальную и конечную энергию системы через E1 и E2 получаем где A - работа внешних сил.
Изменение полной энергии тел, между которыми действуют консервативные силы, равно работе внешних сил, которые действуют на тела системы. В замкнутой системе тел (внешние силы отсутствуют и их механическая работа A=0) полная механическая энергия системы остается постоянной:
E=Т+П=const,
т. е. уравнение (22) один из основных законов механики - закон сохранения механической энергии. Наличие в замкнутой системе неконсервативных сил (например, сил трения) приводит к уменьшению механической энергии. В этом случае механическая энергия переходит в другие виды энергии. Кинетическая энергия тела при поступательном движении равна где m - масса тела; v - скорость тела. Кинетическая энергия вращающегося тела равна где J - момент инерции; ω - угловая скорость. Потенциальная энергия тела в поле тяготения Земли равна
где γ - гравитационная постоянная, m - масса тела; R - расстояние от центра Земли до центра тяжести тела.
Потенциальная энергия упругодеформированного тела
Где k -коэффициент упругости (для пружины -жесткость) , - деформация (смещение).
В физике принято считать потенциальную энергию сил притяжения отрицательной, а потенциальную энергию сил отталкивания - положительной;
7) Статика твердого тела.
Статика рассматривает условия равновесия тела или системы тел. Если на покоящееся тело действует несколько сил, направления которых пересекаются в одной точке, то оно останется в покое тогда, когда сумма (векторная) этих сил равна нулю. Если при достаточно малом отклонении тела от положения равновесия возникают силы, стремящиеся вернуть тело в первоначальное положение, то такое равновесие называется устойчивым.
В положении устойчивого равновесия потенциальная энергия тела имеет минимальное значение.
Если же при сколь угодно малом отклонении тела от положения равновесия возникают силы, стремящиеся увеличить это отклонение, то такое положение называют неустойчивым.
В безразличном положении равновесия при отклонении тела не возникает никаких сил, и новое положение также является положением равновесия.
Пример : a) "Условия равновесия на наклонной плоскости"
Для равновесия тела, имеющего вес P, на наклонной плоскости, составляющей угол α с горизонтом, нужно приложить силу F, равную F1, причем F1=Psinα сила F должна быть направлена вдоль наклонной плоскости (рис.14). При этом тело давит на наклонную плоскость с силой F2=Psinα, а наклонная плоскость с такой же силой действует на лежащее на ней тело. Свободно лежащее тело будет покоится на наклонной плоскости, пока скатывающая сила не станет больше силы трения покоя.
(рис. 14)
b) "Рычаг" .
Рычаг находится в равновесии, если векторная сумма моментов действующих на него сил равна нулю (рис.15) F1a - F2b=0 где a и b - плечи сил F1 и F2.
(Рис. 15) 8) Деформация твердого тела.
Под воздействием внешних сил всякое реальное твердое тело изменяет свою форму - деформируется. Деформация, исчезающая с прекращением действия сил, называется упругой. При упругой деформации тела возникают внутренние силы упругости, стремящиеся вернуть телу первоначальную форму. Величина этих сил пропорциональна деформации тела.
При деформации растяжения (сжатия, сдвига) возникающее удлинение образца (Δx) под действием внешней силы (F) пропорционально величине действующей силы, первоначальной длине (x) и обратно пропорционально площади поперечного сечения (S):
(рис. 16)
где 1/E - коэффициент пропорциональности.
Эта формула выражает закон Гука.
Величина E называется модулем упругости первого рода или модулем Юнга и характеризует упругие свойства материала. Величина F/S = σ называется напряжением.
Деформация стержней любых длин и сечений (образцов) характеризуется величиной, называемой относительной продольной деформацией, ε = Δx/x. Тогда закон Гука для образцов любых форм:
Модуль Юнга численно равен напряжению, увеличивающему длину образцов в два раза. Однако разрыв образца наступает при значительно меньших напряжениях.
Потенциальная энергия упругой деформации определяется по формуле:
где F - сила упругости; k -коэффициент деформации, Δx - величина деформации.
Материалы разделяются на хрупкие и пластичные. Хрупкие вещества разрушаются при очень малых относительных удлинениях. Хрупкие материалы обычно выдерживают, не разрушаясь, большее сжатие, чем растяжение.
Механика жидкости и газа.
Газ - агрегатное состояние вещества, в котором частицы не связаны или весьма слабо связаны силами взаимодействия и движутся свободно, заполняя весь представленный им объем.
Жидкость - агрегатное состояние вещества, промежуточное между твердым и газообразным. Основные свойства жидкости: сохраняют объем и принимают форму сосуда, обладает текучестью.
Структурные единицы (молекулы, атомы) в жидкостях и газах в отличии от структурных единиц твердых тел подвижны. При движении они ударяют о стенки сосуда и, передавая импульсы, оказывают давление.
Давление P- физическая величина. Прямо пропорциональная равномерно распределенной перпендикулярной к поверхности силе F и обратно пропорциональная площади поверхности S, на которую действует эта сила.
Внешнее давление на жидкость или газ передается во все стороны равномерно (закон Паскаля). Столб жидкости или газа, находясь в однородном поле тяготения, создает давление, обусловлено весом этого столба.
где ρ - плотность жидкости или газа; g - ускорение свободного падения; h - высота столба.
Давление , обусловленное весом столба жидкости называется гидростатическим давлением. Если учитывать внешнее давление на поверхность жидкости (атмосферное давление или давление поршня) , то Где P0-давление на поверхность жидкости. Гидростатический парадокс. Сила давления жидкости на дно сосуда не зависит от формы сосуда и определяется только высотой столба жидкости и площадью дна сосуда.
Силами тяготения земли удерживает вокруг себя слой воздуха -атмосферу. Воздух состоит из смеси азота (78%), кислорода (21%), аргона (0,9%) углекислого газа, паров воды и прочих газов. Определенной границы атмосфера не имеет и простирается от поверхности земли до высоты более 100 км. На уровне моря атмосферное давление составляет 760 мм. Рт. Ст. и называетсся нормальным атмосферным давлением. Уровень моря - нулевая отметка поверхности Земли.
P0 =760 мм. Рт. Ст. = 1,013X10⁵≈10⁵Па, т. е. на 1м² поверхности земли воздух давить с силой F=10⁵H, следовательно, на площадку 1 см² поверхности земли давит столб воздуха массой 1 кг. Если допустить, то отсутствуют воздушные течения и температура в любой точке атмосферы одинакова, то зависимость атмосферного давления P от высоты описывается барометричесой формулой давления:
Где h -высота над уровнем моря, и - атмосферное давление на уровне моря и на высоте h, - плотность воздуха на уровне моря, g-ускорение свободного падения, e≈2,72.
Закон Архимеда. На тело погруженное в жидкость(газ) плотность действует выталкивающая сила FA направленная противоположно силе тяжести mg и численно равная весу вытесненной жидкости (газа) в объеме погруженной в жидкость (газ) части тела (Vn).
II Глава. Теплота и молекулярная физика. Изолированная система 9например газ, находящийся в сосуде с непроводящими стенками) в конечном итоге переходит в такое состояние, которое в дальнейшем не изменятся. Такое состояние называется тепловым равновесием, т. е. температура во всех точках системы постоянна. Изменение температуры тела вызывает изменение свойств тела (размеров, плотности, упругости, электропроводности и т. д.).
Температура тела характеризует кинетическую энергию теплового движения его молекул (атомов).
По государственным стандартам приняты две температурные шкалы - термодинамическая (Кельвина) и практическая (Цельсия). В качестве отправной базовой точки абсолютной температурной шкалы (Кельвина) принято значение температуры Т=ОК, которое получило название абсолютный нуль. В классической МКТ при Т=ОК, в веществе полностью отсутствует тепловое движение молекул, т. к. кинетическая энергия молекул равна нулю. Квантовая физика утверждает что при абсолютном нуле молекулы обладают энергией нулевых колебаний. Термодинамическая температурная шкала связана с Международной практической температурной шкалой (МПТШ-68) соотношением:
Т=t+273,15 , где t -температура по шкале Цельсия .
В шкале Цельсия за нуль принимается температура равновесия воды и льда, а за t=100° принята температура кипения воды при нормальном давлении. Величина градуса абсолютной температурной шкалы равна градусу шкалы Цельсия.
Нормальные условия- физические условия, определяемые давлением.
P0=760мм. рт. ст. = 101325Па 105Па и температурой Т0=273,15к (t=00C). Нормальной для жизни человека считается относительная влажность 40-60% .
Газовые законы.
Свойства большинства веществ, находящихся в газообразном состоянии, при обычных условиях могут быть описаны уравнением. .
Это уравнение называется уравнением состояния идеального газа, или уравнением Клайперона-Менделеева. Здесь P - давление газа, V - объем, занимаемый m килограммами газа, -молярная масса, R=8,31Дж/моль * к (универсальная газовая постоянная), Т - температура по термодинамической шкале.
Молярная масса численно равна произведению массы отдельной молекулы вещества (m0) на количество молекул в одном моле: =m0*Na; [ ]= 1*кг\моль; Где Na=6,02*1023 моль -1. В одном моле различных веществ содержится одно и то же число молекул (постоянная Авогадро Na) .
Отношение массы вещества m к его молярной массе называется количеством вещества .
Т. О. уравнение Клайперона- Менделеева можно переписать:
.
Уравнение (1) можно применить (в первом приближении) к любым веществам в газовом состоянии, если плотность этих веществ меньше плотности их насыщенных паров при тех же температурах. Если масса m и молярная масса газа не изменяются с течением времени, то состояние газа полностью описываются уравнением (1), в котором можно выделить три переменных параметра: давление P, объем и температуру Т. Оставляя один из параметров газа (P, V, T) неизменным и варьируя двумя другими можно получить изопроцессы в идеальном газе: Изотерический процесс T=const. P*V=const. Изохороческий процесс v=const/
Изобарный процесс P=const. Из уравнения (1) может быть найдена плотность газа:
Если плотность газа становится сравнимой с плотностью насыщающего пара при данной температуре, то наблюдаются значительные отступления от уравнения состояния (1) идеального газа. В этом случае необходимо учитывать силы взаимодействия молекул газа и занимаемый ими объем. Такой учет приводит к уравнению реального газа. Наиболее широко используется уравнение Ван дер Ваальса:
Где a и b - постоянные Ван дер Ваальса
2) Явления переноса.
Теплота передается посредством конвекции, теплопроводности и излучения. Теплопроводность. Теплопроводностью называется процесс передачи теплоты вследствие хаотического теплового движения молекул или атомов.
Очевидно что теплота Q , прошедшая посредством теплопроводности через площадь S за время t, пропорциональна площади S, времени t и градиенту температуры Q или .
где -теплопроводность (коэффициент теплопроводности).
Знак минус показывает что при теплопроводности энергия переносится в сторону убывания температуры. (T2>T1).
Теплопроводность равна количеству теплоты, переносимой через единицу площади за единицу времени при температурном градиенте, равном единице.
Диффузия. Явление диффузия заключается в том, что происходит самопроизвольное проникновение и перемешивание части двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел.
Диффузия сводится к обмену масс части этих тел, возникает и продолжается, пока существует градиент плотности.
Масса М вещества, перенесенная в результате диффузии через площадь S, времени t и градиенту плотности .
Где D - диффузия (коэффициент диффузии, коэффициент пропорциональности).
Диффузия D равна массе веществ переносимого через единицу площади за единицу времени при градиенте плотности (концентрации), равном единице. Внутреннее трение (вязкость). При относительном параллельном смещении слоев жидкости или газа в нем возникают силы трения, тормозящие движение слоев, движущихся с большей скоростью, и ускоряющие слои с меньшей скоростью. Причиной вязкости является перенос количества движения (импульса) упорядоченного движения молекулами, переходящими из одного слоя в другой. Величина силы внутреннего трения
где Δ /Δx - отношение разности скоростей слоев к расстоянию между ними; S - площадь соприкосновения слоев. Коэффициент внутреннего трения η измеряется силой трения, возникающей между двумя слоями с площадью, равной единице, при градиенте скорости равном единице .
salahaddin01@yahoo.com0Страница 1
Автор
hayruddin02
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
355
Размер файла
302 Кб
Теги
lekcii_1
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа