Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль ). Конспект лекций для студентов 1 курса всех форм обучения Специальность 19. 02. 10 Технология продукции общественного питания

• Название: Конспект лекций для студентов 1 курса всех форм обучения Специальность 19. 02. 10 Технология продукции общественного питания
• Анкор: Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль
• Дата: 02.10.2019
• Размер: 4.41 Mb.
• Имя файла: Конспект лекций по УД Физика (1 курс, СПО, технический профиль ).doc
• Тип: Конспект; #88257
• страница: 18 из 49

12.4. Плавление и кристаллизация

Вещество существует в твердом кристаллическом состоянии при определенных значениях давления и температуры. В этом состоянии вещество находится до тех пор, пока кинетической энергии атомов недостаточно, чтобы преодолеть силы взаимного притяжения. Эти силы удерживают атомы на некотором расстоянии друг относительно друга, не позволяя им перемещаться. При этом атом колеблется около положения своего равновесия. При нагревании твердого тела кинетическая энергия атомов (или молекул) возрастает. При этом амплитуды колебаний могут стать настолько большими, что уже будут сравнимы с периодом решетки, произойдет нарушение дальнего порядка, кристаллическая решетка начнет разрушаться. При дальнейшем увеличении температуры происходит плавление твердых тел, т. е. переход вещества из твердого состояния в жидкое. Этот процесс изотермический. При плавлении температура тела остается постоянной. Вся подводимая извне теплота идет на разрушение кристалла. После разрушения кристалла и образования жидкости подводимая извне теплота идет на нагревание жидкости.

При плавлении кристаллическое тело находится одновременно и в твердом, и в жидком состояниях.

Температура плавления зависит от рода кристаллического тела. Для большинства кристаллических тел она повышается при увеличении атмосферного давления.

При плавлении происходит уменьшение плотности (исключением являются, например, висмут и лед – их плотность увеличивается при плавлении).

Отношение количества теплоты Q, необходимого для того чтобы перевести твердое тело в жидкость при температуре плавления, к массе этот тела называют удельной теплотой плавления:

.

В СИ удельная теплота плавления выражается в джоулях на килограмм(Дж/кг). Из последней формулы следует

.

При плавлении увеличивается внутренняя энергия тела.

Если расплав прекратить нагревать, а потом охладить до температуры плавления, то начнется кристаллизация –переход вещества из жидкого состояния в твердое кристаллическое. Этот процесс сопровождается выделением теплоты кристаллизации, которая равна теплоте плавления. Во время этого процесса происходит упорядочение движения молекул жидкости, в результате они начинают колебаться около узлов кристаллической решетки. Процесс кристаллизации изотермический. Температура кристаллизации и удельная теплота кристаллизации равны соответственно температуре плавления и удельной теплоте плавления для одного и того же тела при одном и том же давлении. Когда кристаллизация закончится, тело начнет охлаждаться.

У некоторых твердых тел, таких, например, как нафталин, иод, камфора, твердая углекислота (сухой лед), наблюдается переход сразу из твердого состояния в газообразное, т. е. происходит испарение. Переход тела из твердого состояния в газообразное, минуя жидкое, называют сублимацией. Обратный процесс называют десублимацией. Все твердые тела сублимируют, но процесс сублимации у разных тел протекает с различной скоростью. При комнатной температуре скорость протекания этого процесса настолько мала, что сублимацию практически нельзя обнаружить.

Процесс сублимации протекает как при нагревании твердого тела, так и без подвода теплоты извне. Во втором случае происходит перераспределение внутренней энергии между твердым и газообразным состояниями. При сублимации тело охлаждается, так как его покидают наиболее быстрые молекулы, обладающие кинетической энергией, которая достаточна для преодоления молекулярного притяжения и отрыва молекул от поверхности твердого тела. Средняя кинетическая энергия оставшихся молекул уменьшается; следовательно, тело охлаждается. Для того чтобы температура сублимирующего тела оставалась постоянной, к нему извне нужно подводить теплоту.

Вопросы для самоконтроля:

1. На какие две группы можно разделить твердые тела? Охарактеризуйте каждую из них.

2. Какие тела называют анизотропными, какие – изотропными?

3. Объясните понятие пространственной решетки.

4. Какие типы кристаллических решеток вам известны?

5. Какие виды деформаций вы знаете?

6. Объясните причину возникновения упругих сил при деформации.

7. Сформулируйте закон Гука.

8. Дайте определение понятий упругости, прочности, пластичности.

9. Объясните тепловое расширение тел с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

10. Объясните процесс плавления с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

11. Что называют удельной теплотой плавления?

12. Как изменяются объем и плотность вещества при плавлении?

13. Дайте определение понятия сублимации.

Лекция № 13. Электрическое поле

Цель: ознакомиться с понятием «электрический заряд», изучить его свойства и закон взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов; ознакомиться с понятием «электростатическое поле».

Основные понятия:

Электрический заряд – некоторое внутреннее, первичное свойство частицы.

Электростатическое поле – частный случай электромагнитного поля неподвижных электрических зарядов, особый вид материи.
13.1. Электрический заряд и электрическое поле.

Все тела в природе состоят из мельчайших частиц, которые условно названы элементарными. Элементарные частицы характеризуются массой и электрическим зарядом. Сила электромагнитного взаимодействия частиц на много порядков превышает силу их гравитационного взаимодействия. Значение силы электромагнитного взаимодействия частиц определяется их электрическими зарядами.

По современным представлениям, электрический заряд является физической величиной, характеризующей интенсивность электромагнитных взаимодействий.

Электрическому заряду частицы присущи следующие фундаментальные свойства:

1) существует элементарный (минимальный) электрический заряд e=1,6⋅10^–19 Кл (кулон (Кл) – единица электрического заряда в системе СИ).

2) электрический заряд существует в двух видах – положительный (носитель элементарного положительного заряда – протон, его масса m_p =1,67⋅10^–27 кг) и отрицательный (носитель элементарного отрицательного заряда – электрон, его масса m_e =9,11⋅10^–31 кг).

3) одноименные заряды отталкиваются, разноименные – притягиваются.

4) электрический заряд является релятивистским инвариантом – его величина не зависит от системы отсчета, а, значит, не зависит от скорости заряженной частицы.

5) электрический заряд дискретен – заряд любого тела составляет целое кратное от элементарного электрического заряда e.

6) электрический заряд аддитивен – заряд любой системы тел (частиц) равен сумме зарядов тел (частиц), входящих в систему).

7) электрический заряд подчиняется закону сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой электрически изолированной системы остается неизменной, какие бы процессы ни происходили внутри данной системы. Под электрически изолированной системой в данном случае понимают систему, которая не обменивается зарядами с внешними телами.

Электромагнитные взаимодействия изучает раздел физики, называемый электродинамикой.

Взаимодействие между неподвижными электрически заряженными частицами или телами изучается электростатикой – разделом электродинамики.

Электромагнитные взаимодействия между заряженными телами передаются только при наличии какой-либо среды, окружающей эти тела, последовательно от одной части этой среды к другой, и с конечной скоростью. Такой средой и является электрическое поле. Когда в каком-либо месте появляется электрический заряд, то вокруг него возникает электрическое поле. Основное свойство электрического поля заключается в том, что на всякий другой заряд, помещенный в это поле, действует сила.

Т. о., рассматривая взаимодействие покоящихся зарядов, мы приходим к понятию электростатического поля. Оно представляет собой стационарное, т. е. не изменяющееся с течением времени, электрическое поле неподвижных электрических зарядов. Это поле является частным случаем электромагнитного поля, посредством которого осуществляется взаимодействие между электрически заряженными частицами, движущимися в общем случае произвольным образом относительно системы отсчета.

Электростатическое поле (как и в общем случае электромагнитное) заключает в себе определенную энергию, обладает массой и, следовательно, не является некоторой абстракцией, введенной нами для описания электрических взаимодействий, но представляет собой объективную реальность, обладающую физическими свойства. Оно является определенной формой материи, которая осуществляет электрические взаимодействия.

13.2. Закон Кулона.

Начало количественного изучения электрических явлений относится к концу XVIII века, когда Кулон установил на опыте закон взаимодействия электрических зарядов.

Для заряженных тел произвольных размеров такой закон в общей форме дать нельзя, так как сила взаимодействия протяженных тел зависит от их формы и взаимного расположения. Однако форма тел и их взаимная ориентировка перестают сказываться, если размеры тел весьма малы по сравнению с расстоянием между ними. Поэтому закон взаимодействия, имеющий общее значение, можно установить только для точечных зарядов.

Так как электрические заряды всегда распределены в объеме, то никаких конечных зарядов в математической точке, разумеется, быть не может. Под точечным зарядом в физике всегда понимают протяженное заряженное тело, размеры которого весьма малы по сравнению с расстоянием от других зарядов.

Ш. Кулон проводил эксперименты с помощью крутильных весов. По углу закручивания упругой нити он измерял силу отталкивания одноименно заряженных шариков, а по шкале прибора – расстояние между ними. В результате этих опытов Кулон заключил, что сила взаимодействия двух точечных зарядов направлена вдоль линии, соединяющей оба заряда, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами:

.

Опыты, поставленные Кулоном далее, показали, что сила F пропорциональна произведению q₁ q₂.

Т. о., сила взаимодействия двух точечных зарядов в вакууме равна

,

где = 8,85·10^-12 Кл²/(Н·м²) – электрическая постоянная.

Закон Кулона справедлив только для взаимодействия точечных электрических зарядов, т.е. таких заряженных тел, линейными размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними. Кроме того, он выражает силу взаимодействия между неподвижными зарядами, т.е. это закон электростатический. Закон Кулона можно сформулировать следующим образом: сила электростатического взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами пропорциональна произведению величин зарядов, обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними и направлена вдоль соединяющей их прямой так, что одноименные заряды притягиваются, а разноименные отталкиваются.

Расчеты показывают, что закон Кулона справедлив также и для взаимодействия заряженных тел шарообразной формы, если заряды q₁ и q₂ распределены равномерно по всему объему или по всей поверхности этих тел. При этом радиусы тел могут быть соизмеримы с расстоянием r между их центрами.

Вопросы для самоконтроля.

1. Что изучает электростатика?

2. Перечислите свойства электрического заряда.

3. Сформулируйте закон сохранения зарядов.

4. Сформулируйте закон Кулона.

Лекция № 14. Характеристики электрического поля

Цель: изучить свойства электростатического поля, ввести его характеристики (напряженность и потенциал).

Основные понятия:

Напряженность – силовая характеристика электростатического поля.

Силовые линии – линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности.

Суперпозиция полей – геометрическое сложение напряженностей полей, создаваемых отдельными зарядами.

Потенциальное поле –силовое поле, в котором работа сил поля на пути между двумя любыми точками не зависит от формы пути, а зависит только от положения этих точек.

Потенциал – энергетическая характеристика электростатического поля.

Эквипотенциальная поверхность – это поверхность, на которой потенциал остается постоянным.
14.1. Напряженность электростатического поля.

Электрические заряды всегда связаны с электрическим полем, непрерывно распределенным по всему пространству, окружающему заряженные частицы или тела. Электростатическое (не зависящее от времени) поле одного заряда проявляется в его силовом действии на другой заряд, помещенный в какую-либо точку поля.

Характеристику электростатического поля можно получить, разделив силу, испытываемую зарядом q₁, помещенным в некоторой точке, на его значение:

.

Эта величина называется напряженностью электростатического поля в вакууме.

Напряженность электрического поля точечного заряда q₂ в вакууме можно найти из закона Кулона:

.

Введя, для упрощения записей, обозначение , получим

.

Направление вектора напряженности совпадает (по определению) с направлением силы, действующей на положительный заряд. Графически электростатическое поле можно изобразить при помощи силовых линий (линий вектора напряженности). Силовыми линиями называют линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора напряженности электрического поля. Силовые линии считаются направленными так же, как и вектор напряженности. Они нигде не пересекаются, поскольку в каждой точке поля вектор имеет лишь одно направление. Принято считать, что количество силовых линий, проведенных в некоторой области пространства, должно быть пропорционально напряженности электрического поля в этой области.

Исходя из закона Кулона, силовые линии поля, создаваемого точечным зарядом, радиально направлены либо к заряду, либо от него.