Контрольная работа по "Физике"

Министерство сельского  хозяйства

Российской Федерации

ФГБОУ ВПО

"Воронежский  государственный аграрный университет  имени императора Петра I"

Кафедра физики

 

 

 

 

 

ФИЗИКА

 

 

 

 

Выполнил:

студент ТТ-1 3а  з/о 

Храмов Д.В.

Шифр – 12001

Проверил: Воищева О.В.

 

 

 

Воронеж 2013

1. Внутренняя энергия. Количество теплоты. Работа в термодинамике

Термодинамика – это наука о тепловых явлениях.

Одним из важнейших понятий  термодинамики является внутренняя энергия тела. Все макроскопические тела обладают энергией, заключенной внутри самих тел. С точки зрения молекулярно-кинетической теории внутренняя энергия вещества складывается из кинетической энергии всех атомов и молекул и потенциальной энергии их взаимодействия друг с другом. В частности, внутренняя энергия идеального газа равна сумме кинетических энергий всех частиц газа, находящихся в непрерывном и беспорядочном тепловом движении. Отсюда вытекает закон Джоуля, подтверждаемый многочисленными экспериментами.

Внутренняя энергия идеального газа зависит только от его температуры  и не зависит от объема

Молекулярно-кинетическая теория приводит к следующему выражению  для внутренней энергии одного моля идеального одноатомного газа (гелий, неон и др.), молекулы которого совершают  только поступательное движение: 

Поскольку потенциальная  энергия взаимодействия молекул  зависит от расстояния между ними, в общем случае внутренняя энергия U тела зависит наряду с температурой T также и от объема V: 

U = U (T, V).

Таким образом,  внутренняя энергия U тела однозначно определяется макроскопическими параметрами, характеризующими состояние тела. Она не зависит от того, каким путем было реализовано данное состояние. Принято говорить, что внутренняя энергия является функцией состояния.

Внутренняя энергия тела может изменяться, если действующие  на него внешние силы совершают работу (положительную или отрицательную). Например, если газ подвергается сжатию в цилиндре под поршнем, то внешние  силы совершают над газом некоторую  положительную работу A'. В то же время силы давления, действующие со стороны газа на поршень, совершают работу A = –A'. Если объем газа изменился на малую величину ΔV, то газ совершает работу pSΔx = pΔV, где p– давление газа, S – площадь поршня, Δx – его перемещение (рис. 1). При расширении работа, совершаемая газом, положительна, при сжатии – отрицательна. В общем случае при переходе из некоторого начального состояния (1) в конечное состояние (2) работа газа выражается формулой: 

или в пределе при ΔV_i → 0: 

Рисунок 1. Работа газа при расширении

Работа численно равна  площади под графиком процесса на диаграмме (p, V). Величина работы зависит от того, каким путем совершался переход из начального состояния в конечное. На рис. 2 изображены три различных процесса, переводящих газ из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех случаях газ совершает различную работу.

Рисунок 2. Три различных пути перехода из состояния (1) в состояние (2). Во всех трех случаях газ совершает разную работу, равную площади под графиком процесса

Процессы, изображенные на рис. 2, можно провести и в обратном направлении; тогда работа A просто изменит знак на противоположный. Процессы такого рода, которые можно проводить в обоих направлениях, называются обратимыми .

В отличие от газа, жидкости и твердые тела мало изменяют свой объем, так что во многих случаях  работой, совершаемой при расширении или сжатии, можно пренебречь. Однако, внутренняя энергия жидких и твердых  тел также может изменяться в  результате совершения работы. При  механической обработке деталей (например, при сверлении) они нагреваются. Это означает, что изменяется их внутренняя энергия. Другим примером может  служить опыт Джоуля (1843 г.) по определению механического эквивалента теплоты (рис. 3). При вращении вертушки, погруженной в жидкость, внешние силы совершают положительную работу (A' > 0); при этом жидкость из-за наличия сил внутреннего трения нагревается, т. е. увеличивается ее внутренняя энергия. В этих двух примерах процессы не могут быть проведены в противоположном направлении. Такие процессы называются необратимыми.

Рисунок 3. Упрощенная схема опыта  Джоуля по определению механического  эквивалента теплоты

Внутренняя энергия тела может изменяться не только в результате совершаемой работы, но и вследствие теплообмена. При тепловом контакте тел внутренняя энергия одного из них может увеличиваться, а другого – уменьшаться. В этом случае говорят о тепловом потоке от одного тела к другому. Количеством теплоты Q, полученным телом, называют изменение внутренней энергии тела в результате теплообмена.

Рисунок 4. Модель. Работа газа

Передача энергии от одного тела другому в форме тепла  может происходить только при  наличии разности температур между  ними.

Тепловой поток  всегда направлен от горячего тела к холодному.

Количество теплоты Q является энергетической величиной. В СИ количество теплоты измеряется в единицах механической работы – джоулях (Дж).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Электростатическое поле и его законы.

Электростатическое  поле – это поле, не изменяющееся во времени, оно создается неподвижными электрическими зарядами.

Электрическое поле представляет собой  особый вид материи, связанный с электрическими зарядами и передающий действия зарядов друг на друга.

Если в пространстве имеется  система заряженных тел, то в каждой точке этого пространства существует силовое электрическое поле. Оно  определяется через силу, действующую  на пробный заряд, помещённый в это  поле. Пробный заряд должен быть малым, чтобы не повлиять на характеристику электростатического поля.

Основные характеристики

• Напряженность

Напряжённость электри́ческого  по́ля — векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы   действующей на неподвижный^[1] пробный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда  :

.

• Потенциал

Электростатический  потенциа́л (см. также кулоновский потенциал) — скалярная энергетическая характеристикаэлектростатического поля, характеризующая потенциальную энергию поля, которой обладает единичный положительный пробныйзаряд, помещённый в данную точку поля. Единицей измерения потенциала в Международной системе единиц (СИ) является вольт(русское обозначение: В; международное: V), 1 В = 1 Дж/Кл (подробнее о единицах измерения — см. ниже).

Электростатический потенциал  равен отношению потенциальной энергии взаимодействия заряда с полем к величине этого заряда:

Силовые линии электростатического поля имеют следующие свойства:

1. Всегда незамкнуты: начинаются на положительных зарядах (или на бесконечности) и заканчиваются на отрицательных зарядах (или на бесконечности).
2. Не пересекаются и не касаются друг друга.
3. Густота линий тем больше, чем больше напряжённость, то есть напряжённость поля прямо пропорциональна количеству силовых линий, проходящих через площадку единичной площади, расположенную перпендикулярно линиям.

- Силовые  линии магнитного поля магнита, визуализированные железными опилками.

Суперпозиция  электростатических полей

Принцип суперпозиции электрических полей (принцип независимости действия электрических полей):  напряженность электрического поля, созданного системой зарядов в любой точке пространства, равна векторной сумме напряженности полей, созданных в этой точке каждым зарядом в отдельности. 

Закон Кулона 

Силы взаимодействия между  неподвижными зарядами прямо пропорциональна  произведению модулей этих зарядов  о также обратно пропорциональна  расстоянию в квадрате между этими  зарядами. 

 

где к - коэффициент пропорциональности    

q1,q2 - неподвижные точечные заряды   

r - расстояние между зарядами

 

ГА́УССА ТЕОРЕ́МА, основная теорема электростатики, устанавливающая связь между потоком Ф_Е вектора напряженностиэлектрического поля Е через замкнутую поверхность S с величиной электрического заряда q, находящегося внутри этой поверхности.

Ф_Е = qe_о.

e_о — электрическая постоянная, = 8,85^.10^-12Ф/м.

Поток Ф_Е вектора напряженности электрического поля Е через любую замкнутую поверхность пропорционален полному заряду q, находящемуся внутри этой поверхности.

Для электростатического поля в вакууме поток вектора напряженности сквозь произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности зарядов, деленной на e_о. Теорема Гаусса вытекает из закона Кулона — закона взаимодействия неподвижных точечных зарядов в вакууме и принципа суперпозиции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Дифракция света

Характерным проявлением  волновых свойств света является дифракция света — отклонение света от прямолинейного распространения на резких неоднородностях среды.

Дифракционная решетка

Дифракционная решетка - система  препятствий (параллельных штрихов), сравнимых  по размерам с длиной волны.

Дифракция света  на решетке

В настоящей программе  дифракционная решетка изучается  как многолучевой спектральный прибор, обладающий высоким разрешением. Простейшей решеткой является амплитудная дифракционная решетка, состоящая из периодической последовательности щелей, разделенных непрозрачными промежутками (до нескольких сотен тысяч). В решетке осуществляется многолучевая интерференция когерентных пучков света, исходящих от различных щелей (рис. 3.1).

Рисунок 3.1. Дифракционная решетка.

Решетка освещается параллельным пучком света и наблюдается фраунгоферова  дифракционная картина (см. главу 2). Наблюдение проводится либо на достаточно удаленном экране, либо в фокальной  плоскости линзы, поставленной на пути света за решеткой. Расчет дифракционной  картины при дифракции света  на амплитудной решетке, выполненный  на основе принципа Гюйгенса–Френеля, приводит к следующему выражению  для распределения интенсивности  . 

(3.1)

где   – распределение интенсивности при дифракции света на одиночной щели 

(3.2)

В выражениях (3.1) и (3.2)   – фазовый сдвиг между колебаниями от соседних щелей решетки, равный  , где d – период решетки; через b обозначена ширина щелей, через N – полное число периодов решетки (число щелей). Общий вид распределения (3.1) показан на рис. 3.2

Рисунок 3.2. Распределение интенсивности  при дифракции света на амплитудной  решетке.

Наиболее интересным в  картине дифракции света на решетке  является наличие узких интенсивных главных максимумов. Их положение определяется условием: 

(3.3)

Целое число m называют порядком дифракционного максимума (или порядком спектра). Формула (3.3) имеет простой физический смысл. В точке наблюдения, соответствующей условию (3.3), колебания от всех щелей решетки складываются синфазно. На векторной диаграмме эта ситуация изображается цепочкой колинеарных векторов, каждый из которых представляет вклад в результирующее колебание от отдельной щели решетки (рис. 3.3а). Амплитуда суммарного колебания равна  , где   – амплитуда колебания в точке наблюдения от отдельной щели решетки. Таким образом, в главном максимуме интенсивность суммарного колебания  . Рассмотрим теперь точку наблюдения, для которой векторная диаграмма имеет вид рис. 3.3б. Амплитуда суммарного колебания в этой точке равна нулю. Разность фаз между первым и N-ым векторами изменилась на  , а , следовательно, между соседними векторами – на  . Соответствующая разность хода изменилась на  .